IV DETERMINAÇÃO DO PADRÃO DE RACIONAMENTO DE ÁGUA EM RESERVATÓRIOS

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1 IV DETERMINAÇÃO DO PADRÃO DE RACIONAMENTO DE ÁGUA EM RESERVATÓRIOS Ana Cláudia Fernandes Medeiros Braga (1) Engenheira Civil pela Universidade Federal da Paraíba (UFPB), Campus de João Pessoa. Aualmene é aluna de pós-graduação em Engenharia Civil, na área de Engenharia de FOTO Recursos Hídricos, da UFPB, Campus de Campina Grande. Carlos de Oliveira Galvão NÃO Professor do Deparameno de Engenharia Civil da UFPB, Campus de Campina Grande. DISPONÍVEL Engenheiro Civil (UFPB), Mesre (UFPB) e Douor (UFRGS) em Recursos Hídricos. Cybelle Frazão Cosa Braga Engenheira Civil pela UFPB e Bacharel em Direio pelo Cenro Universiário de João Pessoa. Aualmene é aluna de pós-graduação em Engenharia Civil, na área de Engenharia de Recursos Hídricos, da UFPB, Campus de Campina Grande. Endereço (1) : Universidade Federal da Paraíba, Caixa Posal 505, Campina Grande PB. CEP: Tel: (83) (83) acfmb@uol.com.br RESUMO O abasecimeno de cidades brasileiras de médio e grande pore, em geral, vem se ornando cada vez mais precário devido, principalmene, à crescene demanda e à diminuição da disponibilidade hídrica. Diane da possibilidade de colapso desses sisemas, uma possível resposa emergencial seria o racionameno de água do manancial que abasece esas regiões, muias vezes reservaórios superficiais de acumulação. Ese arigo se propõe a deerminar momenos de início e fim de racionameno como ambém a sua quanidade aravés da uilização de regras que os relacionam ao armazenameno no reservaório e à expecaiva de escassez de água fuura. Uiliza-se a Lógica Difusa para avaliação desas regras. O modelo é empregado na deerminação de um padrão de racionameno do reservaório que abasece a cidade de Campina Grande, Paraíba. Os resulados da aplicação mosraram que: é possível esender a duração do aendimeno às demandas pelo reservaório, mesmo em siuação de seca severa, aravés do racionameno prevenivo; o caráer plurianual do reservaório deermina o padrão do racionameno, basane diferene dos reservaórios localizados em bacias com pouca variabilidade pluviomérica ineranual; e, o racionameno proposo pelo modelo de Lógica Difusa é suave e gradual. A aplicação da meodologia deerminando padrões de racionameno pode ser uilizada como ferramena para o planejameno da operação do reservaório. PALAVRAS-CHAVE: Racionameno, Reservaório, Nível de Conrole, Lógica Difusa. INTRODUÇÃO O abasecimeno de cidades brasileiras de médio e grande pore, em geral, vem se ornando cada vez mais precário devido, principalmene, à crescene demanda e à diminuição da disponibilidade hídrica. Diane da possibilidade de colapso desses sisemas, uma possível resposa emergencial seria o racionameno de água do manancial que abasece esas regiões, muias vezes reservaórios superficiais de acumulação. Nese conexo, enconram-se casos recenes de racionameno nas cidades de São Paulo, Recife, João Pessoa e Campina Grande. Um pono de exrema imporância nos casos de racionameno é se deerminar o momeno do seu início e do seu fim, como ambém o quano se deve racionar. Qual seria o momeno exao de se submeer uma população a resrições de água e o quano? Não se pode permiir que o reservaório chegue a um nível al que compromea essa mesma população ano em relação à quanidade quano à qualidade da água. Surge assim um conceio basane uilizado, o de nível ou volume de alera : quando o volume acumulado no reservaório for menor que ese nível, passa-se a racionar água (Ribeiro e al., 1995). O nível de alera busca, porano, eviar o colapso oal do sisema e permiir um manejo adequado do reservaório de abasecimeno. Enreano, o nível de alera por si só não resolve o problema do racionameno, sendo apenas um insrumeno para a gesão da água de abasecimeno urbano. ABES Trabalhos Técnicos 1

2 A deerminação dese nível alera pode ser feia aravés de modelos de simulação do balanço hídrico do reservaório, ou por oimização, aravés de méodos como a programação dinâmica. Nese rabalho se uiliza um modelo que amplia o conceio de nível de alera, definindo o momeno do racionameno e a sua quanidade uilizando regras que os relacionam ao armazenameno no reservaório e, ambém, à expecaiva de escassez de água fuura. A Lógica Difusa (Zadeh, 1965) é empregada para avaliação dessas regras. O modelo é empregado na deerminação do padrão de racionameno do reservaório que abasece a cidade de Campina Grande, Paraíba. FORMULAÇÃO DO PROBLEMA Considere-se um único reservaório com vazões de enrada i, perdas por evaporação e infilração e, e liberações r em cada inervalo de operação. A seqüência de perdas e é assumida como conhecida, a seqüência de vazões i como previsa ou esimada e a seqüência de liberações r deve ser deerminada. Dada a capacidade de armazenameno do reservaório K, o problema da operação objeiva enconrar a seqüência de liberações r que aenda da melhor forma aos objeivos previsos para o reservaório. As resrições do problema são: Balanço hídrico mensal: s +1 = s + i - e - r, para cada inervalo de operação, sendo s o volume armazenado no reservaório; Capacidade K e volume moro s min : s min s K, para cada inervalo. Deseja-se que esa operação seja mais flexível e robusa que os sisemas de operação de reservaórios convencionais, de forma al que esraégias de operação que compromeam o reservaório, em caso de erro exagerado da previsão meeorológica ou da esimaiva das vazões afluenes, não sejam indicadas. METODOLOGIA As operações do reservaório no modelo uilizado (Galvão, 1999) são conduzidas aravés de níveis de conrole, que regulam a redução nas liberações e são projeados para maner o esado do reservaório ão próximo quano possível de níveis de armazenameno desejáveis. O nível de conrole é um coeficiene definido no inervalo [0;1] e que muliplica a liberação desejada. O armazenameno no reservaório ao final do horizone de operação é expresso pela variável nível de armazenameno fuuro (S), que é o volume armazenado em relação ao volume desejado para aquele inervalo de operação: s S = equação (1) s onde s é o volume armazenado esimado e operação. s volume armazenado desejado, ao final do horizone de A escassez relaiva média D m represena quano o reservaório deixou de aender às demandas desejadas: D m D = equação (2) n onde n é o número de inervalos nos quais ocorreu escassez e D é a escassez relaiva no inervalo de operação, definida como: 2 ABES Trabalhos Técnicos

3 D R R = R equação (3) sendo R e R as liberações desejadas e aendidas em cada inervalo de operação. Os valores deerminísicos de S e D m são ransformados em valores difusos (Figura 1), que expressam os valores numéricos em expressões qualiaivas. A escassez média D m pode assumir os valores difusos zero (ZO), pequena (P), média (M), grande (G) e muio grande (MG); o nível de armazenameno fuuro S pode assumir os valores difusos volume moro (VM), muio baixo (MB), baixo (B), médio (M) e normal (N). O enquadrameno para cada conjuno difuso se dá por valores de perinência µ que vale 0 ou 1, indicando perinência ou não-perinência, cada conjuno permie vários graus de perinência definidos, geralmene, no inervalo µ = [0,1]. Por exemplo, se o nível de armazenameno fuuro for 0,3 ele será baixo com perinência 0,2 e muio baixo com perinência 0,8 (Figura 1). Figura 1: Variáveis de decisão ABES Trabalhos Técnicos 3

4 O nível de conrole é inferido aravés de regras, definidas com a finalidade de maner um equilíbrio enre a escassez média e o armazenameno disponível ao final do horizone de operação (Figura 2). As regras expressam uma relação enre essas variáveis de decisão e a mudança no nível de conrole (MNC). O novo nível de conrole é obido adicionando o nível de conrole aual à MNC inferida e decomposa no domínio deerminísico. A Figura 1 apresena os valores difusos assumidos por essa variável: grande negaiva (GN), média negaiva (MN), pequena negaiva (PN), zero (ZO), pequena posiiva (PP), média posiiva (MP) e grande posiiva (GP). ARMAZENAMENTO ESCASSEZ MÉDIA D m S ZO P M G MG VM GN GN MN PN ZO MB GN MN PN ZO PP B MN PN ZO PP MP M PN ZO PP MP GP N ZO PP MP GP GP Figura 2: Regras de inferência para MNC ESTUDO DE CASO Pode-se aualmene idenificar os seguines faos em relação ao abasecimeno de água em médios e grandes aglomerados urbanos: A redução da disponibilidade de bacias hidrográficas para servirem como novos mananciais de abasecimeno para áreas urbanas; A redução da capacidade de invesimenos na implanação de novos sisemas de reservação, capação, raameno, adução e disribuição de água; A consaação dos alos níveis de perdas nos sisemas de abasecimeno; A consaação do desperdício de água pelo usuário final. Os faos idenificados aneriormene esão presenes na cidade de Campina Grande PB (Figura 3). Recenemene, esa cidade em enfrenado graves problemas de abasecimeno em virude do esado críico de armazenameno (seca ) aingido pelo manancial que a abasece, o Açude Epiácio Pessoa (conhecido como Boqueirão). A CAGEPA (Companhia de Água e Esgoos do Esado da Paraíba), empresa pública esadual responsável pelos sisemas de saneameno básico em odo o Esado, opera rês aduoras a parir do Açude Epiácio Pessoa abasecendo as cidades de Campina Grande, Pocinhos, Boqueirão, Queimadas, Caurié, Riacho de Sano Anônio e dos disrios de Galane e S. José da Maa (Rego e al, 2000; PMCG, 2000). Diane da possibilidade de colapso do sisema de abasecimeno, a CAGEPA, implanou um racionameno (em 13/10/98) onde a cada 48 horas se abasecia uma zona da cidade; em 21/09/99 ese racionameno ficou mais rigoroso endo sido suspenso, compleamene, em 26/04/2000 com a chegada das chuvas. A problemáica do abasecimeno da cidade moivou o Minisério Público do Esado, aravés da Curadoria do Meio Ambiene de Campina Grande, a imperar uma Ação Civil Pública com Pedido de Liminar, com o inuio de suspender de imediao a uilização das águas do reservaório para ouros fins diferenes do abasecimeno humano e dessedenação dos animais. O pedido foi deferido deerminando o imediao fechameno das comporas da barragem e da liberação da água para irrigação, uilizada em larga escala as margens da represa (Souza, 2000). Assim, faz-se miser que o referido reservaório seja inserido no modelo brasileiro de gesão dos recursos hídricos, sendo realizado um manejo adequado no mesmo, viso que é a principal fone de água da região e não houve um quesionameno sobre as perdas do sisema nem o desperdício do usuário. Para ano, esá sendo aqui deerminado um padrão de racionameno baseado nas condições de armazenameno do reservaório que pode servir como subsídio para o gerenciameno dos recursos hídricos exisenes. 4 ABES Trabalhos Técnicos

5 Figura 3: Localização do município de Campina Grande e do reservaório Boqueirão (Fone: paraiba/ index.hml). DADOS DE ENTRADA NO MODELO O modelo uiliza os dados de evaporação, curva coa-volume, série de vazões médias mensais, demanda mensal, armazenameno desejado mensal, armazenamenos mínimo, máximo e inicial do reservaório, e ainda, nível de conrole máximo admiido pelo analisa ou gesor. A parir desas variáveis o modelo faz o balanço hídrico do reservaório e, em seguida, aplica as regras da Lógica Difusa deerminando o padrão de racionameno. As varáveis enconram-se lisadas abaixo: a) Dados de evaporação de anque classe A (Tabela 1) do Poso de Sumé (La. 7º31 Long. 36º58 ). Tabela 1: Dados de evaporação do anque classe A do poso de Sumé Mês Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Se Ou Nov Dez Evaporação (mm) O coeficiene do anque uilizado para deerminar o valor da evaporação real no lago foi de 0,7. Armazenameno x10 6 m 3 500, , , , ,000 0, Coas (m) Figura 4 Curva coa-volume do açude de Boqueirão b) Curva coa-volume do Açude Boqueirão (Figura 4). ABES Trabalhos Técnicos 5

6 c) Série de vazões médias mensais afluenes ao açude, para o período de 1963 e 1983 (Figura 5), geradas aravés de modelo hidrológico precipiação-vazão (UFPB/ATECEL, 1995). d) Demanda mensal igual a 2,4 m 3 /s para odos os meses, sendo considerados os principais usos do reservaório: abasecimeno humano (1,15 m 3 /s), irrigação e ouros usos urbanos a jusane do reservaório (1,25 m 3 /s) (Galvão e al., 2001 ) Vazão afluene (m 3 /s) Figura 5: Série de vazões afluenes e) Armazenamenos mínimo, máximo e inicial do reservaório (Tabela 2). O armazenameno inicial é o admiido no primeiro mês da simulação. Tabela 2: Armazenamenos referenes ao açude Boqueirão Açude Boqueirão mínimo Máximo inicial Volumes em milhões de m f) Armazenamenos desejados mensais O volume armazenado desejado mensal (equação 1) é aquele que supore aender as demandas em rês anos consecuivos de secas, ou seja, com vazão afluene nula (Galvão e al., 2001) (Tabela 3). Tabela 3: Volumes armazenados desejados mensais Mês Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Se Ou Nov Dez Vol. Desejado (10 6 m 3 ) g) Nível de conrole máximo Ese valor deermina o racionameno máximo que se deve impor ao consumo que, na realidade, deve ser deerminado, pelo gesor, levando-se em consideração as implicações do racionameno. Uma desas implicações, por exemplo, seria o impaco na opinião pública, viso que níveis muio baixos do reservaório levam a alera excessivo da população. Aqui foram adoados dois níveis máximos de conrole, que deerminaram dois ipos de cenários: um sem racionameno, com as demandas aendidas inegralmene (cenário 1), e ouro com racionameno máximo de 50% da demanda (cenário 2). 6 ABES Trabalhos Técnicos

7 RESULTADOS A aplicação dos dois cenários permie a comparação enre duas siuações díspares: uma siuação na qual não exise conrole sobre a água reirada do reservaório (cenário 1) e oura que resringe as demandas (cenário 2), aravés do racionameno, de modo a eviar possíveis colapsos do sisema. Enende-se que, anes do reservaório aingir o seu volume moro (siuação de colapso), exisem siuações críicas que não são desejáveis; por exemplo, para armazenamenos menores que 100 milhões de m 3, a qualidade da água no reservaório já esá compromeida (Galvão e al., 2001). A simulação do cenário 1 (sem operação) gerou uma siuação preocupane: em 29 meses, o armazenameno críico para qualidade de água foi alcançado; denre eses, em 8 vezes o reservaório enrou em colapso, enre maio/1973 e janeiro/1974. A escassez relaiva oal (soma da escassez relaiva, dada pela equação 3, para odos os meses em que a demanda não foi aendida inegralmene) foi de 8,03 e escassez relaiva média (dada pela equação 2) foi de 0,89. Para o cenário 2 (com operação), não houve colapso do reservaório, mas uma escassez relaiva oal de 39,7 e uma escassez relaiva média de 0,27. Ese maior valor de escassez oal se deve ao fao de as regras de definição do nível de conrole recomendarem pequenos racionamenos prevenivos ao longo do empo, impedindo que o reservaório chegue a uma siuação exrema. O resulado é que a escassez relaiva média passou de 0,89 (no cenário 1) para 0,27, ou seja, apenas 27% das demandas, em média, não foram aendidas em oda a série simulada, enquano que para o cenário 1 ese valor foi de 89%. No cenário 2 em apenas 5 vezes o armazenameno críico para qualidade de água foi alcançado. A Figura 6 mosra o aendimeno às demandas para os dois cenários e a Figura 7 o armazenameno simulado para os dois cenários. Aendimeno à demanda 1 0,8 0,6 0,4 0, Cenário 1 (sem operação) Cenário 2 (com operação) Figura 6: Aendimeno às demandas Um resumo da avaliação dos dados de escassez e das falhas enconra-se nas Tabelas 4 e 5, respecivamene. As falhas do sisema para o cenário 2 foram pré-deerminadas em no máximo 50%; já o cenário 1 mosra a gravidade de suas falhas, já que 88,9% delas aingem o valor máximo. Enre agoso/1972 e janeiro/1974, o cenário 2 aingiu o valor máximo de redução de demanda permiido (0,5), indicando que para eses meses provavelmene haveria maior racionameno, se permiido. Tabela 4: Avaliação dos cenários aravés da escassez Escassez Relaiva Cenários oal média máxima Cenário 1 (sem operação) Cenário 2 (com operção) Armazenameno mínimo (10 6 m 3 ) 8,03 0, ,51 39,7 0,27 0,5 77,16 ABES Trabalhos Técnicos 7

8 Tabela 5: Avaliação dos cenários aravés das caegorias das falhas Caegorias das falhas (%) Cenários 0 a 0,25 0,25 a 0,5 0,5 a 0,75 0,75 a 1,0 Cenário 1 (sem operação) Cenário 2 (com operação) Nº. de meses com armazanameno críico 11, , ,1 32, Armazenameno (10 6 m 3 ) Figura 7: Armazenameno no reservaório Cenário 1 (sem operação) Cenário 2 (com operação) Capacidade Máx. do reservaório Os resulados aqui apresenados poderiam ainda ser modificados buscando-se ouros conjunos de regras. O melhor conjuno seria aquele que produzisse melhores resulados de minimização de escassez relaiva oal, escassez relaiva média mensal, escassez relaiva máxima, número de meses com escassez e volume exravasado; e maximização do armazenameno mínimo. CONCLUSÕES Ese arigo propõe o esabelecimeno de padrões de racionameno de água em reservaórios aravés de regras de operação, que considerem um equilíbrio enre escassez e volume armazenado. Esas regras são formuladas e aplicadas por um modelo baseado na Lógica Difusa. Os resulados da aplicação do méodo ao reservaório Boqueirão, na Paraíba, mosraram que: é possível esender a duração do aendimeno às demandas pelo reservaório, mesmo em siuação de seca severa, aravés do racionameno prevenivo, eviando-se siuações de colapso; o caráer plurianual do reservaório deermina o padrão do racionameno, basane diferene dos reservaórios localizados em bacias com pouca variabilidade pluviomérica ineranual; o racionameno proposo pelo modelo de Lógica Difusa é suave e gradual. O modelo é um insrumeno para a gesão dos recursos hídricos, permiindo um manejo adequado do reservaório de abasecimeno. Deve ser uilizado como ferramena para o planejameno da operação do reservaório, cabendo ao gesor, em empo real, a omada de decisão, deerminando o quano e quando racionar. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. GALVÃO, C. O. Conrole de Processos e Sisemas de apoio à decisão. In: Galvão, C. O., Valença, M. J. S. (Org.) Sisemas ineligenes: aplicações a recursos hídricos e sisemas ambienais. Poro Alegre: Associação Brasileira de Recursos Hídricos e Ediora da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. p GALVÃO, C. O., REGO, C. J., RIBEIRO, M. M. R., ALBUQUERQUE, J. P. T. Susainabiliy characerizaion and modelling of waer supply managemen pracices. In: Regional Managemen of Waer Resources. Wallingford: IAHS Press ABES Trabalhos Técnicos

9 3. PMCG - Prefeiura Municipal de Campina Grande. Disponível on-line em: (20/11/2000) REGO, J. C., ALBUQUERQUE, J. P. T., RIBEIRO, M. M. R. Uma análise da crise de no abasecimeno d água de Campina Grande PB. In: Anais do V Simpósio de Recursos Hídricos do Nordese. Naal: ABRH. Em CD-Rom RIBEIRO, M. M. R., GALVÃO, C. O., DINIZ, L. S. Níveis de alera para os reservaórios Gramame- Mamuaba. In: Anais do XI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos II Simpósio de Hidráulica e Recursos Hídricos dos Países de Língua Oficial Poruguesa. Recife: ABRH. v.1, p SOUZA, C. A. F. Racionameno: a experiência de Campina Grande (PB). ABRH Noícias. n.1, p UFPB/ATECEL. Plano esadual e sisema de gerenciameno de recursos hídricos da Paraíba: relaório final. Campina Grande: SEPLAN/ATECEL ZADEH, L. A. Fuzzy Ses. Informaion and conrol, v. 8, p ABES Trabalhos Técnicos 9