RAFAELE LOPES DE ALENCAR

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1 UNIVERSIDADE REGIONAL DO CARIRI - URCA CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA - CCT DEPARTAMENTO DA CONSTRUÇÃO CIVIL CURSO DE TECNOLOGIA DE CONSTRUÇÃO CIVIL HABILITAÇÃO EM EDIFÍCIOS TRABALHO DE CONCLUSÃO DO CURSO RAFAELE LOPES DE ALENCAR INTERVENÇÕES FÍSICAS NA REDE DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA COM SIMULAÇÃO. JUAZEIRO DO NORTE-CE 2017

2 RAFAELE LOPES DE ALENCAR ALUNA DO CURSO DE TECNOLOGIA DA CONSTRUÇÃO CIVIL - URCA INTERVENÇÕES FÍSICAS NA REDE DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA COM SIMULAÇÃO. Trabalho de Conclusão do Curso apresentado à Comissão Examinadora do Curso de Tecnologia da Construção Civil com Habilitação em Edifícios, da Universidade Regional do Cariri URCA, como requisito para conclusão do curso. Orientador: Dr. Renato de Oliveira Fernandes. JUAZEIRO DO NORTE-CE 2017

3 INTERVENÇÕES FÍSICAS NA REDE DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA COM SIMULAÇÃO. Elaborado por Rafaele Lopes de Alencar Aluno do Curso de Tecnologia da Construção Civil - URCA BANCA EXAMINADORA Prof. Dr. Renato de Oliveira Fernandes - URCA (ORIENTADOR) Dr. Eliakim Martins Araújo - URCA Prof. Me. Miguel Adriano Gonçalves Cirino- URCA Monografia aprovada em / /, com nota. JUAZEIRO DO NORTE-CE 2017

4 A Deus. A minha mãe Maria do Carmo, que apostou tudo o que tinha nos filhos.

5 AGRADECIMENTOS A Deus, estando sempre vigiando meu caminho e guiando meus paços. A Jesus Cristo, que me dá forças para sempre seguir em frente e a manter meu coração calmo perante as dificuldades. A minha mãe, Maria do Carmo, que me apoia em minhas decisões, sempre está ao meu lado quando preciso e tem me educado com disciplina e confiança para conquistar meus objetivos. A meu orientador, Dr. Renato de Oliveira Fernandes, pelo cuidado de me manter sempre motivada na execução deste trabalho. A todos os meus professores, desde o fundamental até aqui, pela atenção, carinho e por ajudar tantos outros como eu a seguir o caminho do conhecimento.

6 As dificuldades são o aço estrutural que entra na construção do caráter. CARLOS DRUMMOND DE ANDRADE

7 RESUMO O crescimento populacional vem agravando as dificuldades das redes de distribuição de água de atender a demanda de água. Foi identificado esta problemática na cidade de Várzea Alegre CE e comprovada através de um diagnóstico hídrico realizado em estudos anteriores no ano de A partir disso, este trabalho tem como objetivo propor soluções através de intervenções físicas na rede de distribuição de água da cidade de Várzea Alegre CE, para adequar os valores de pressão nos nós, os quais foram identificados anteriormente com valores inferiores ao mínimo preconizado pela NBR /1994 que define alguns parâmetros para o projeto de rede de distribuição de água para abastecimento público. A rede de distribuição de água da cidade Várzea Alegre apresenta valores insuficientes de pressão nos nós, velocidades excessivas em diversos trechos das áreas periféricas e perdas de carga excessivas em diversos trechos. Utilizando o software de simulação hidráulica EPANET foi possível analisar o desempenho da rede e localizar as áreas problemáticas para propor modificações viáveis que possam adequar os valores de pressão aos exigidos por norma. A rede foi simulada em três condições, sendo a primeira com modificação de diâmetros dos condutos, a segunda com adição de um reservatório elevado e a terceira considerando as duas condições anteriores, ou seja, com modificação de diâmetros dos condutos e adição de um reservatório elevado. Os resultados obtidos mostram também as vantagens de cada intervenção física na rede de distribuição de água com destaque para as vantagens técnicas, econômicas e sociais. Embora a modificação das tubulações e acréscimo de um reservatório apresentem o melhor resultado técnico é necessário avaliar do ponto de vista financeiro e os possíveis transtornos a mobilidade da população da cidade de Várzea Alegre CE. Palavras-chave: simulação, rede de distribuição de água, Várzea Alegre-CE.

8 ABSTRACT Population growth has aggravated the difficulties of water distribution networks to meet water demand. This problem was identified in the city of Várzea Alegre - CE and proved through water diagnosis carried out in previous studies in the year From this, this work aims to propose solutions through physical interventions in the water distribution network of the city of Várzea Alegre - CE, to adjust the pressure values at the nodes, which were previously identified with values lower than the minimum recommended by NBR / 1994 that defines some parameters for the water distribution network design for public supply. The water distribution network of Várzea Alegre presents insufficient values of pressure at the nodes, excessive velocities in several stretches of the peripheral areas and excessive losses of load in various stretches. Using the EPANET hydraulic simulation software it was possible to analyze the network performance and locate the problem areas to propose feasible modifications that can adjust the pressure values to those required by the standard. The network was simulated in three conditions, the first with modification of conduit diameters, the second with addition of a high reservoir and the third considering the two previous conditions, that is, with modification of conduit diameters and addition of a high reservoir. The results obtained also show the advantages of each physical intervention in the water distribution network, highlighting the technical, economic and social advantages. Although the modification of the pipes and the addition of a reservoir present the best technical result, it is necessary to evaluate the financial and possible disturbances of the population mobility of the city of Várzea Alegre - CE. Key words: simulation, water distribution network, Várzea Alegre-CE.

9 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Esquema de uma rede malhada em blocos Figura 2 - Esquema de uma rede malhada com quatro anéis ou malhas Figura 3 - Representação de rede ramificada Figura 4 - Representação de rede ramificada tipo espinha de peixe (A) e traçado tipo grelha (B) Figura 5 - Representação de rede mista Figura 6 Representação esquemática de uma rede: nós ligados entre si nos vértices por intermédio de nós Figura 7 - Esquema de rede da cidade de Várzea Alegre, Ceará, com a disposição de pressão por nó Figura 8 Cidade de Várzea Alegre CE Figura 10 Representação das áreas com pressão mais baixa da rede, e representação do nó Figura 11 Indicação dos trechos a serem modificados Figura 12 Simulação com modificação nos diâmetros dos condutos principais ás 12:00 horas Figura 13 Trechos com diâmetros modificados Figura 14 Modelo simulado após as intervenções adicionais Figura 15 Simulação 2: Resultados após adição de RNF Figura 16 Valores de pressão e perda de carga no modelo base (A), em comparação às simulada após as intervenções (B) Figura 17 Trechos modificados na simulação Figura 18 Simulação 3, resultados após as modificações propostas Figura 19 Valores de perda de carga. Simulação Figura 20 Valores de velocidades. Simulação

10 LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1 - Monitoramento da pressão com a instalação às 8:42 horas do dia 19/07/2016 e retirada às 12:42 horas do dia 20/07/2016, do aparelho datalogger, no endereço localizado na Rua: Inácio Gonçalves da Costa, nº 115 Bairro: Riachinho Várzea Alegre/CE Gráfico 2 Variação de pressão nos nós 12, 13, 75, 76, 77 e 80, áreas: Bairros Riachinho e Centro Gráfico 3 Pressão nos nós 12, 13, 75, 76, 77 e 80 após as intervenções Gráfico 4 Variação da pressão nos nós 12, 13, 75, 76, 77 e 80, após intervenções adicionais

11 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Resultados das medições instantâneas de pressão disponível na rede de distribuição, realizadas pela ARCE no dia 19/07/ Tabela 2 Segmento de trechos com diâmetros modificados Tabela 3 Valores de perdas de carga simulados em comparação aos valores atuais Tabela 4 Segmento de trechos com diâmetros modificados Tabela 5 Trechos com diâmetros modificados. Simulação

12 LISTA DE SIGLAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ARCE Agência Reguladora de Serviços Públicos Delegados do Estado do Ceará CAGECE Companhia de Água e Esgoto do Ceará FoFo Ferro Fundido RNF Reservatório de Nível Fixo SAA Sistema de Abastecimento de Água

13 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivo Específico FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Redes de Distribuição de Água Tipos de Redes de Distribuição Condutores O Problema das Perdas Modelagem Hidráulica de Rede de Abastecimento de Água Calibração de redes Problematização da área de estudo METODOLOGIA Instrumentos de Coleta de Dados Plano de Modelagem Análise do comportamento da rede Avaliação da precisão dos resultados do modelo EPANET RESULTADOS Avaliação da Simulação Avaliação da simulação Avaliação da simulação CONCLUSÃO... 48

14 13 1 INTRODUÇÃO A rede de distribuição de água é uma solução coletiva para abastecimento de água em cidades. Entretanto, quando esse sistema não supre a demanda existente, deixando de cumprir com seu principal objetivo, inicia-se um ciclo de problemas, o que gera diversos prejuízos. Tais prejuízos atingem tanto a empresa responsável pela rede de distribuição, quanto a população, que passa a perder direitos básicos que deveriam ser devidamente cumpridos. Segundo o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística - IBGE (2017), a cidade de Várzea Alegre - CE possuía uma população de habitantes no ano de 2010 (ano em que foi iniciado o diagnóstico hídrico do município), com estimativa para 2017 de habitantes, tendo área territorial de km 2.A densidade demográfica do município é de 45,99 habitantes por km², com uma crescente taxa de urbanização, atualmente da ordem de 55,30%, perfazendo habitantes na sua zona urbana. Foi constatado no estudo de Jericó, Fernandes e Silva (2013), que havia pressões insuficientes em vários pontos da rede no ano de 2010, e atualmente, de acordo com o crescimento populacional, este fato ainda é verídico e está se agravando com o passar do tempo. Segundo o relatório de fiscalização da rede de distribuição de Várzea Alegre- CE, feito pela ARCE - Agência Reguladora de Serviços Públicos Delegados do Estado do Ceará, foi constatado pressões inferiores à 10 mca mediante medição contínua de pressão na rede de distribuição, da inspeção realizada nos dias 18 à 20 julho de A ARCE realizou também, medições instantâneas de pressão em pontos devidamente espaçados na rede de distribuição, mais especificamente nos cavaletes de ligação, detectando pressão fora da faixa de 10 a 50 mca. O estudo atual é a sequência do iniciado por Jericó, Fernandes e Silva (2013), contribuindo no sentido de propor intervenções físicas na rede de distribuição de água para possibilitar a adequação das pressões nos diversos pontos de consumo. Para alcançar os objetivos serão necessárias simulações hidráulicas no software EPANET (ROSSMAN, 2008), com modificações nos diâmetros de tubulações específicas e inclusão de outros elementos, como reservatórios elevados, seguindo o princípio das simulações realizadas na rede de abastecimento de água em operação, que mostraram como resultado prévio problemas recorrentes como perdas de carga e pressões excessivas em diversos trechos da rede. A partir dos dados

15 14 obtidos por Jericó, Fernandes e Silva (2013), serão feitas as intervenções físicas, seguindo a premissa de que, com maiores diâmetros em alguns pontos das tubulações, e/ou adição de um ou mais reservatório elevado, num ponto específico e de cota topográfica favorável, haverá um aumento de vazão e pressão nos pontos de consumo, melhorando o desempenho da rede.

16 OBJETIVOS Objetivo Geral Esse estudo tem como objetivo propor intervenções físicas da rede de abastecimento de água da cidade de Várzea Alegre CE, visando melhorias quanto ao atendimento das pressões Objetivo Específico Para atingir os objetivos gerais será seguido o seguinte objetivo específico: Analisar o comportamento do modelo da rede de água em seu estado atual para identificar as áreas com pressões insuficientes; Considerar dados atuais da rede de distribuição de água além dos dados gerados pelo modelo para obtermos resultados mais realísticos; A partir das conclusões da análise inicial, criar estratégias onde as intervenções possam corrigir as pressões insuficientes; Simular a dinâmica da rede com todas as intervenções propostas, como substituição de tubos e acréscimo de um reservatório.

17 16 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 Redes de Distribuição de Água Segundo Heller e Pádua (2010), rede de distribuição é a unidade do sistema de abastecimento de água constituída por tubulações e órgãos acessórios instalados nas vias públicas, objetivando fornecer continuamente água potável em quantidade, qualidade e pressões adequadas a todos os pontos de consumo. A forma como a água é distribuída sujeita-se muito as condições gerais do sistema, que são: a topografia, a dimensão da área abastecida e a localização das fontes de abastecimento, além de critérios econômicos e sociais. Desse modo, podese usar como classificação de abastecimento: por gravidade, bombeamento e por bombeamento e armazenamento (SANTANA, 1999). No caso de a topografia local conceder a condução da água através dos diferentes níveis do local, é empregado o abastecimento por gravidade. Pelo seu custo relativamente pequeno e pelo baixo índice de variação da pressão ao longo do sistema de distribuição, esse tipo de abastecimento é preferível em relação aos outros. Quando não é possível a utilização das curvas de nível para a condução da água por gravidade é utilizada o abastecimento por bombeamento. Este tipo de abastecimento tem grande desvantagem por sua dependência à energia elétrica, pois a água só chega à rede através de bombeamento contínuo, e também há mais falhas de distribuição devido às oscilações de pressão e demanda na rede. Por estes motivos essa é a forma menos utilizada. Já no caso de abastecimento por bombeamento e armazenamento, os reservatórios são locados objetivando receber os excessos de água dos momentos de menor consumo e atuar como fonte de abastecimento nos momentos de maior consumo ou durante processos de manutenção do sistema ou falhas. Na rede de distribuição abastecida mediante estação de bombeamento, o dimensionamento das tubulações depende da cota piezométrica da cabeceira, essa por sua vez, interfere diretamente no custo da rede. Mantendo o traçado da rede com classes dos tubos disponíveis constantes, quanto maior for esta cota, menor será o custo, além de que é possível a seleção de tubos com menores diâmetro, entretanto, menores diâmetros geram elevados custos com energia elétrica por aumentar a perda de carga. De maneira oposta, aumentado os diâmetros da tubulação e diminuindo a altura de

18 17 bombeamento, acarreta o aumento no custo das tubulações e a diminuição do custo de energia, com isso, acaba fornecendo menor perda de carga (SANTANA, 1999) Tipos de Redes de Distribuição Segundo Gomes (1999), para a identificação dos elementos da rede é usado uma nomenclatura especifica: Trecho: percursos da rede onde a vazão é constante; Nó: conexão entre dois trechos (produzem modificações na vazão circulante); Nó de derivação: conecta dois ou mais trechos; Ramal: Trechos conectados em série, sem nenhum nó de derivação; Artérias: percursos principais da rede, formado por ramais agrupados em série; Traçado da rede: configuração da distribuição das tubulações, indicando a situação topográfica dos componentes da rede; Alimentação ou cabeceira de rede: início da rede, geralmente é onde se localiza o reservatório de distribuição ou bombeamento direto. Redes são constituídas por canalizações, classificadas em canalizações principais e secundárias. As canalizações principais, também chamadas de conduto tronco, têm maior diâmetro e objetiva abastecer os condutos secundários, enquanto as secundárias de menor diâmetro, objetivam abastecer diretamente os pontos de consumo do sistema (TSUTIYA, 2006). De acordo com a disposição dos condutos principais e o sentido de escoamento das tubulações secundárias, as redes são classificadas como rede malhada, rede ramificada e mista, casos em que são encontrados os dois tipos em um mesmo sistema. A parte ramificada geralmente encontra-se nas periferias ou em áreas de expansão (TSUTIYA, 2006). A rede de malha em anéis apresenta bom funcionamento desde que tenha sido criteriosamente dimensionada, mas apresenta maior número de registros a serem manobrados em comparação com a rede de blocos, dificultando a medição das vazões. É o traçado que apresenta maior eficiência hidráulica, sendo comumente usados em áreas onde existe maior número de habitantes por quilômetro quadrado e com configuração em que as larguras dessas mesmas áreas não sejam muito reduzidas. (HELLER, PÁDUA, 2010).

19 18 Na rede de malha em blocos o controle das pressões é mais preciso, há melhor qualidade na distribuição e na eficiência na manutenção da rede. Nela há maior facilidade no controle de perdas e existe maior facilidade na medição das vazões, pois, como ilustrado da Figura 1, as redes internas aos blocos são alimentadas apenas por dois pontos, favorecendo a medição de vazão e consequentemente, melhora o controle de perdas na rede (TSUTIYA, 2006). Figura 1 - Esquema de uma rede malhada em blocos. Fonte: TSUTIYA, Segundo Heller e Pádua (2010), a rede malhada permite a conexão das tubulações entre si pelas suas duas extremidades, conforme indicado na Figura 2. Esse tipo de traçado permite maior flexibilidade em satisfazer a demanda e manutenção da rede com o mínimo de interrupção no fornecimento de água, e devido

20 19 ao permanente fluxo da água nos dois sentidos das tubulações, gera vantagens em relação a qualidade da água, evitando as denominadas pontas mortas. Figura 2 - Esquema de uma rede malhada com quatro anéis ou malhas. Fonte: ROSAL, 2007 Na rede ramificada, um reservatório abastece uma tubulação tronco, sob pressão de bombeamento, esta distribuição é ilustrada na Figura 3. Os condutos secundários são terminais dos condutos principais, chamados de pontas secas. Figura 3 - Representação de rede ramificada. Fonte: ROSAL, 2007 Esse tipo de rede tem um único sentido de vazão e escoamento, sendo comumente utilizado em pequenas comunidades, granjas, sistemas de irrigação etc.

21 20 O traçado desse tipo de rede pode ser do tipo espinha de peixe ou traçado em grelha, como mostra a Figura 4 a seguir. Figura 4 - Representação de rede ramificada tipo espinha de peixe (A) e traçado tipo grelha (B). Fonte: TSUTIYA, 2006 A principal vantagem dessa rede é o seu baixo custo de implantação em relação às outras, pois nela há tubulações e conexões em menor quantidade, e também há maior facilidade de cálculo. Porém, uma rede com esse tipo de traçado impõe que a distribuição de vazão fique retida à tubulação tronco, de modo que a interrupção nesta em qualquer ponto, paralise toda a distribuição à jusante deste ponto. A rede mista (Figura 5) é a associação da rede ramificada com a rede malhada. Figura 5 - Representação de rede mista. Fonte: TSUTIYA, A NBR de 1994, em seu item 5.6, dá orientações para a disposição do traçado dos condutos, visando melhorias na rede de água nos seguintes aspectos:

22 21 melhores condições de escoamento hidráulico, qualidade da água, melhores condições operacionais, redução de custos de implantação e de operação e também a minimização de transtornos à população: De acordo com a NBR (1994, p. 03), Os condutos principais devem ser localizados em vias públicas, formando preferencialmente circuitos fechados; Os condutos secundários devem formar rede malhada, podendo ou não ser interligados nos pontos de cruzamento; Ao longo de condutos principais, com diâmetro superior a 300 mm, devem ser previstos condutos secundários de distribuição; A rede deve ser dupla nos seguintes casos: a) em ruas principais de tráfego intenso; b) quando o estudo demonstrar que a rede dupla é mais econômica. Assim, em relação à disposição dos condutores principais, não é apropriado que seja feito o traçado em grelha ou espinha de peixe, desde que as distâncias entre as extremidades abertas de suas tubulações tronco adjacentes sejam mínimas. Segundo Heller e Pádua (2010, p. 640), ainda com a finalidade de reduzir custos de implantação e operação, os condutos principais devem ser localizados preferencialmente em: Ruas sem pavimentação ou com pavimentação menos onerosa; Ruas de menor intensidade de trânsito; Proximidade de grandes consumidores; Proximidade das áreas e de edifícios que devem ser protegidos contra incêndios Condutores Nas redes de distribuição a pressurização da água implica na distinção das pressões predominantes dentro das tubulações em relação a atmosférica. Tais pressões variam em consequência da mudança dos diâmetros, topografia e da incompressibilidade da água, desconsiderando sua massa específica, sendo considerada não uniforme. A escolha das tubulações reflete diretamente no seu dimensionamento, diversos fatores devem ser observados como: diâmetros, custo da tubulação, pressões, cargas excessivas, custos de implantação e manutenção, qualidade da água e topografia do terreno (SALVINO, 2012). Seguindo tal princípio, os modelos de simulação são de grande relevância ao projetar ou otimizar redes de distribuição de água, pois além de permitir a análise comportamental da rede de água, contém a presença da variável tempo. Gomes

23 22 (2009) afirma que o modelo visa não só a obtenção de valores das grandezas hidráulicas, mas também dispor a variação destas grandezas em um espaço de tempo, (valores de vazão, pressão, perdas de carga, níveis nos reservatórios etc.) conforme a rede é simulada. Este recurso possibilita os modelos a representar os sistemas de forma estática ou dinâmica, onde os modelos estáticos apontam as condições de operação em um sistema através dos valores das variáveis obtidos, já nos modelos dinâmicos, existe a variação das grandezas hidráulicas ao longo do tempo, em função dos consumos de água nos nós da rede. 2.2 O Problema das Perdas Os elevados incrementos na demanda nos últimos anos tal como a falta de manutenção adequada nos sistemas de abastecimento de água iniciam uma deficiência operacional nesses sistemas (MORAIS, ALMEIDA, 2006). Infelizmente, esse é um problema comum nas redes de abastecimento de água, evidenciando a necessidade de modernização do setor de abastecimento diante das exigências impostas pelas sociedades urbanas, especialmente induzidas pelos processos de democratização e conscientização ecológica. As empresas de saneamento públicas e privadas acabam enfrentando novos desafios, isso para garantir o atendimento a uma profusão de aspectos no âmbito da gestão operacional dos sistemas. Por sua complexidade e características próprias, esses sistemas embutem certo grau de perda da produção, por isto é utópica a ideia de se obter perda zero neste setor. Venturini et al. (2001), afirma que os sistemas de abastecimento de água têm se tornado falho devido à falta de manutenção, planejamento adequado e a escassez de recursos financeiros, deteriorando-se com o passar do tempo de maneira natural ou acelerada, em função da frequência de manutenção e/ou operação da rede de água. A partir disso, surgem problemas operacionais que influenciam diretamente na minoração da qualidade dos serviços prestados e aumento dos custos operacionais. Essa deficiência nos serviços é percebida pelos consumidores, além do aumento das tarifas cobradas que recaem sobre os mesmos para eventuais reparos no sistema, gerando insatisfação. O abastecimento de água inconstante manifesta-se diante da incapacidade de suprir a demanda, iniciado por problemas de pressão da rede fora dos limites normalizados.

24 23 Como o gerenciamento de sistemas de abastecimento público são de complexidade no nosso país, as dificuldades encontradas nessa avaliação são de demasiadas. A análise da situação dos sistemas de abastecimento de água aponta a existência de 40% de perdas em média, dessa forma concluímos que qualquer alternativa instaurada trará melhoria ao sistema (MORAIS, ALMEIDA, 2006). Para a escolha correta do método a ser empregado devemos considerar a natureza do problema, o contexto estudado, os fatores abrangidos, a estrutura de preferência e o objetivo que se deseja alcançar, ou seja, qual a problemática de referência (GOMES, 2002). Nesse caso, o problema em questão, já caracterizado anteriormente, visa a adequação dos valores de pressão nos nós da rede de distribuição de água da cidade de Várzea Alegre - CE, modificando os diâmetros da rede em estudo, para que possa atender aos requisitos mínimos de pressão exigidos por norma e/ou adicionar um ou mais reservatório elevado, para suprir a demanda solicitada em todos os pontos da rede. No estudo elaborado baseado no caso real na cidade de Várzea Alegre - CE, com população total de habitantes, sendo que deste total, residem na zona urbana do município (IBGE, 2010), apresentou pressões abaixo do limite arbitrado por norma, provavelmente devido aos altos índices de perdas e aumento da demanda. Observa-se também que as diversas regiões não atendidas, ou com dificuldades de abastecimento, são decorrentes principalmente da expansão da rede executada provavelmente sem um planejamento inicial (JERICÓ, 2012). 2.3 Modelagem Hidráulica de Rede de Abastecimento de Água São muitos os softwares existentes para modelagem de redes de abastecimento de água e são largamente utilizados no mundo inteiro para simular no computador, o funcionamento de um determinado sistema físico, representam os esforços numa estrutura, as variáveis envolvidas na percolação da água no solo, ou o movimento dos líquidos num escoamento superficial e em outros campos da engenharia. Segundo Heller e Pádua (2010), softwares como este são capazes de simular diversos cenários, sejam eles físicos, com modificações do sistema distribuidor por exemplo; temporais, no caso de diversos tipos de projeção populacionais ou etapas de uma determinada projeção; ou até mesmo operacionais, na circunstancia de determinada válvula fechada ou aberta, uma regra de automação

25 24 para um determinado conjunto "elevatória-reservatório" ou outro tipo de arranjo operacional. As ferramentas computacionais são de grande importância nesse contexto, no entanto, a experiência do modelador ou até mesmo a qualidade dos dados a inserir no sistema são pontos importantes para base dos dados obtidos, pois influenciam no resultado final desejado (PINTO, 2010). Segundo Coelho (2006), a composição de um modelo de simulação hidráulica de um sistema de abastecimento de água é feita através de: dados que definem as características físicas do sistema; as solicitações e condições operacionais e pelo conjunto de equações matemáticas (predominando as não lineares) que reproduzem o desempenho hidráulico dos componentes individuais e do sistema em geral, expressas em termos das principais variáveis de estado e instanciadas pelos dados descritivos e pelos algoritmos numéricos necessários para a resolução desse conjunto de equações matemáticas. Na representação esquemática de uma rede da Figura 6, os nós, cuja posição é definida através de coordenadas planimétricas e de uma cota, são utilizados para identificar todos os pontos notáveis da rede, como as intersecções de tubulação, mudanças de material ou de diâmetro da tubulação, pontos de consumo ou de abastecimento, pontos altos e pontos baixos, pontos de medição, fronteiras de setores de rede e outros. Os componentes físicos são definidos por um nó de montante e um nó de jusante e representam condutores, válvulas e bombas. Os reservatórios são pontos nos quais são impostas condições de fronteira relativamente à superfície piezométrica, a que podem estar ou não associadas relações entre a altura da água e um volume de água armazenado (COELHO, 2006).

26 25 Figura 6 Representação esquemática de uma rede: nós ligados entre si nos vértices por intermédio de nós. Fonte: COELHO, Segundo Heller e Pádua (2010, p. 756), o funcionamento dos modelos hidráulicos baseia-se nos conceitos de conservação de massa e de conservação de energia. Assim, para cada nó em um sistema hidráulico em conduto forçado, a soma das vazões de montante deve ser igual à soma das vazões de jusante (normalmente demandas), e para cada anel, deve ser verificada a equação de perdas de carga. 2.4 Calibração de redes Para trabalhar com um modelo é necessário inserir cada dado do sistema cuidadosamente, a realização correta da entrada de dados é fundamental para que a análise hidráulica se preste verdadeiramente ao que se destina. A inclusão desses dados, tal como a calibração da rede objeto de estudo foram feitas por Jericó (2012), entretanto a falta de dados detalhados da rede de água e as diversas incertezas nas informações de entrada fizeram com que o modelo não representasse fielmente a rede real, apesar de ser bem aproximado. Isso foi identificado nos estudos posteriores de Jericó, Fernandes e Silva (2013), através da observação da pressão horária da rede em comparação ás pressões apresentadas no modelo. Segundo Coelho (2006), os dados necessários para a construção e calibração de um modelo de simulação, pode dividir-se em:

27 26 Descrição das características dos componentes físicos do sistema, tais como condutores, reservatórios, válvulas e bombas, incluindo a referência de coordenadas e cotas dos nós que os definem, e o traçado da rede daí resultante; Dados de consumo e de vazão, que reproduzem o melhor possível a distribuição espacial e o comportamento temporal das solicitações ao sistema; Dados sobre o funcionamento operacional do sistema, que refletem o modo como válvulas e grupos elevatórios, por exemplo, são operados para os vários cenários de funcionamento. Segundo Coelho (2006), a medição da pressão nas redes de distribuição pode ser realizada com medidores portáteis em marcos de incêndio, estações elevatórias (no condutor de aspiração ou de compressão), reservatórios e válvulas. É um ponto de grande importância para a calibração hidráulica dos modelos. Segundo Heller e Pádua (2010), no processo de calibração é sempre necessário que haja ajustes na rede, pois por mais que um algoritmo de cálculo possa ser rápido e preciso, jamais será possível representar fielmente as situações reais mediante de um método computacional sem haver deficiências, devido à incapacidade de medir as condições exatas de campo. A admissão de uma série de condições teóricas é necessária onde envolvem os cálculos em condutos forçados, que certamente diferem da realidade, como os valores atribuídos para a rugosidade interna de condutores, valores de consumo e distribuição desse consumo etc. 2.5 Problematização da área de estudo Nos estudos apresentados por Jericó, Fernandes e Silva (2013), verificou-se que o crescimento exacerbado da demanda na cidade de Várzea Alegre - Ceará nos últimos anos, acentuou os problemas de pressão baixa em alguns pontos de consumo da rede de abastecimento de água na cidade, uma vez que esta foi projetada e implantada em um período em que não era tão solicitada. Isso exigiu cada vez mais adaptações e mudanças na forma de expansão da rede de água, executada possivelmente sem planejamento prévio, e mudanças na operação da rede de abastecimento de água. Estes dados foram comprovados por medições em campo realizado pela ARCE (Gráfico 1).

28 27 Gráfico 1 - Monitoramento da pressão com a instalação às 8:42 horas do dia 19/07/2016 e retirada às 12:42 horas do dia 20/07/2016, do aparelho datalogger, no endereço localizado na Rua: Inácio Gonçalves da Costa, nº 115 Bairro: Riachinho Várzea Alegre/CE. Fonte:< acesso em 12 de novembro de Ao analisar a simulação do modelo base, vemos que as pressões nas tubulações secundárias (com diâmetros de 50 mm), em sua grande maioria, estão inferiores a 10 mca, valor mínimo recomendado (NBR ,1994), que podem ter sido causadas pelo crescente número de cadastros na rede, pela demanda com alta variabilidade na escala diária e mensal, e por possíveis vazamentos no SAA. As perdas de cargas geralmente têm valores maiores em tubulações de menor diâmetro, com valor máximo de 8 m/km como sugerido por alguns autores (TSUTIYA, 2006), mas chegam a 25 m/km nas tubulações de FoFo com diâmetros de 200mm (JERICÓ, 2012), isso ocorre provavelmente devido ao grau de envelhecimento dos condutos ou possíveis defeitos na rede de água, como juntas desalinhadas, incrustações etc. Existem várias dificuldades na calibração de redes de abastecimento de água devido às inúmeras variáveis e equações envolvidas no processo. Como o EPANET utiliza uma série de fórmulas para cálculo de perda de carga entre outras diversas funcionalidades, contém um grupo de ferramentas de cálculo para auxílio a simulação hidráulica, (ROSSMAN, 2008) que podem facilitar a calibração do modelo.

29 28 3 METODOLOGIA 3.1 Instrumentos de Coleta de Dados Através do diagnóstico apresentado por Jericó (2012), foram obtidos diversos dados a respeito da infraestrutura e funcionamento da rede, como ilustrado na Figura 7. Figura 7 - Esquema de rede da cidade de Várzea Alegre, Ceará, com a disposição de pressão por nó. Fonte: JERICÓ, A figura 7 representa a simulação do modelo da rede de distribuição de água ás 12 horas, a partir da legenda de pressões nos nós podemos identificar as áreas com pressões insuficientes. Além do trabalho de Jericó (2012), a ARCE Agência Reguladora de Serviços Públicos Delegados do Estado do Ceará disponibiliza dados atuais acerca do funcionamento da rede em seus relatórios de fiscalizações, apresentando o problema de pressão na rede.

30 29 Estes relatórios serão fundamentais para calibração da rede, já que devido à falta de detalhamento quanto aos dados de entrada fornecidos pela CAGECE, como o padrão de consumo horário, nível do reservatório associado às pressões observadas e rugosidade da tubulação, o modelo não pôde representar corretamente a variabilidade das pressões (JERICÓ, 2013). Portanto, a necessidade de dados mais detalhados de consumo de água e pressões impossibilita a real calibração do modelo hidráulico, restando apenas uma aproximação da real situação, relacionando com os dados coletados nos relatórios da ARCE. Na Tabela 1 a seguir, estão os resultados do relatório mais recente, com pressões abaixo do preconizado por norma geralmente nas áreas periféricas da cidade, prováveis áreas de expansão da rede, como podemos perceber na Figura 8, o mapa da área de estudo. Figura 8 Cidade de Várzea Alegre CE. Fonte: < acesso em 08 de dezembro de 2017.

31 30 Tabela 1 - Resultados das medições instantâneas de pressão disponível na rede de distribuição, realizadas pela ARCE no dia 19/07/2016. Fonte:< acesso em 12 de novembro de Por meio destas fontes de dados utilizados como ponto de partida para avaliação de possíveis intervenções físicas, será feito a modelagem e calibração da rede, com um plano específico de desenvolvimento, que será apresentado no tópico a seguir. 3.2 Plano de Modelagem Para analisar o potencial da rede nesse trabalho serão estudados três casos de simulação iniciais para obter os valores de pressão desejados: Simulação 1: Substituição de tubulação: serão substituídas as tubulações principais em pontos específicos da rede por tubulações com diâmetros maiores, a fim de diminuir a perda de carga e elevar a pressão nos pontos de consumo à montante. Simulação 2: Adição de um reservatório elevado: será adicionado um reservatório elevado em um ponto de cota topográfica elevada e próxima às áreas onde houver problemas de pressão baixa. Simulação 3: Adição de um reservatório elevado e substituição de tubulação: no caso dos métodos adotados anteriormente serem insuficientes para

32 31 regularizar as pressões nos pontos de consumo, serão aplicados os dois métodos citados anteriormente simultaneamente. 3.3 Análise do comportamento da rede Para encontrar as intervenções mais efetivas para o caso, foi feito uma análise geral do comportamento da rede em relação à pressão e perda de carga. Simulando a rede nas suas condições iniciais foi verificado que havia apenas duas áreas onde as pressões são insuficientes, velocidades excessivas em uma dessas áreas e perda de carga em diversos trechos, principalmente em condutos principais de FoFo. As áreas que apresentaram pressões baixas são correspondentes ao Bairro Centro, com apenas dois nós irregulares que variam de 8,01 mca à 9,53 mca às 10:00 horas (horário de maior consumo neste caso), e o Bairro Riachinho, com toda a sua área apresentando pressões irregulares, que variam de 2,57 mca à 0 mca às 10:00 horas. No Bairro riachinho também estão as velocidades excessivas. As perdas de carga estão constantemente presentes nos Bairros Centro e Riachinho, mas também são encontradas nos Bairros Patos e Varjota. Observado minunciosamente o comportamento da rede, foi identificado uma anomalia no Bairro Riachinho, apresentando valores extremos de pressão no nó 80, e também de velocidade e perda de carga no trecho 81, à jusante deste nó. A rugosidade deste trecho é muito elevada em comparação às demais, não sendo especificado seu material, o que dificulta a adequação dos dados do trecho. Pressupõe-se que este fato se deve a simplificação da rede de água no processo de modelagem feito anteriormente, reduzindo o tamanho da rede ao resumir uma área com características semelhantes das tubulações e valores de pressão. Contudo, este trecho sobrecarrega toda a extensão da rede, visto que os condutos à jusante estão todos apresentando problemas de pressão, velocidade e perda de carga. Esta área provavelmente é uma área de extensão da rede de água, feita sem dimensionamento prévio, onde talvez fosse necessário a substituição dos condutos à jusante, aumentando o diâmetro, ou até acréscimo de um reservatório nesta região. 3.4 Avaliação da precisão dos resultados do modelo

33 32 Indisponibilidade de dados prejudicaram a calibração do modelo feito por Jericó (2012), impossibilitando a criação de um modelo mais próximo da rede real, também influencia na execução deste trabalho. Porém, é possível comparar os dados gerados pelo modelo acerca do funcionamento da rede aos relatórios de fiscalizações realizados pela ARCE. Neste processo podemos identificar os pontos em que coincidem as áreas problemáticas e onde essas áreas não puderam ser representadas corretamente pelo modelo. A partir desta comparação serão feitas as simulações, dando prioridade às áreas problemáticas representadas pelo modelo, mas verificando também se as modificações realizadas geraram impactos positivos nas áreas que não puderam ser representadas, dando maior segurança aos resultados. 3.5 EPANET 2.0 O modelo de simulação hidráulica escolhido para efetuar este estudo foi o EPANET 2.0, desenvolvido pela United States Environmental Protection Agency (USEPA). Em seu ambiente gráfico integrado é possível editar e criar cenários a modelar e dados descritivos da rede, realizar simulações de qualidade da água e hidráulicas, examinar modelos e visualizar os resultados em vários formatos. Apoiado nisso, é possível examinar mapas da rede de acordo com os códigos de cores disponíveis e a partir dos resultados obtidos, criar tabelas, desenhar gráficos em séries temporais entre outros, e ainda produzir relatórios específicos (energia, calibração e reação). As funcionalidades desse software se encaixam perfeitamente aos objetivos visados, pois este também foi utilizado para realização dos estudos anteriores. A obtenção de valores de vazão e pressão em componentes da rede individualmente, de altura de água em reservatórios, de nível variável e de concentração de espécies químicas através da rede, não servem somente para a calibração de sistemas de distribuição de água, mas também para análise de estratégias e alternativas de gestão. Portanto, criado para ser uma ferramenta de apoio a análise de sistemas de distribuição, o EPANET 2.0 contribui no sentido de aprimorar o conhecimento do destino dos constituintes da água e de seu transporte (ROSSMAN, 2008).

34 33 4 RESULTADOS 4.1 Avaliação da Simulação 1 O Bairro Riachinho é a área em que foram encontrados maiores problemas de pressões, que chegaram a 0 mca ás 10:00 horas em quase todos os nós. Nesta área também se encontra o nó com maior consumo corrente, o nó 80, pois corresponde a simplificação de uma parte da rede, como foi dito anteriormente. Já o Bairro Centro apresenta dois nós problemáticos, correspondentes ao nó 12 e o nó 13. Na Figura 10 está a representação destas áreas no modelo base. Figura 10 Representação das áreas com pressão mais baixa da rede, e representação do nó 80. No Gráfico 2 a seguir é ilustrado o comportamento das pressões nos nós 12, 13, 75, 76, 77 e 80, antes das intervenções.

35 Pressão (m) 34 Gráfico 2 Variação de pressão nos nós 12, 13, 75, 76, 77 e 80, áreas: Bairros Riachinho e Centro Horas do dia Nó 12 Nó 13 Nó 75 Nó 76 Nó 77 Nó 80 Pressão mínima Note que a partir das 4:00 horas a pressão nos nós já sofrem baixas significativas, onde essas baixas são mantidas até as 17:00 horas. O nó 12 se mantem com pressões a baixo de 10 mca em todas as horas do dia, mas também com baixas entre as 4:00 e 17:00 horas. O nó 80 se manteve com pressão nula em toda a simulação. Para a realização das intervenções nessas áreas foi preciso inicialmente reconhecer as tubulações principais que abastecem os locais com pressões baixas, facilmente encontrados através do traçado da rede. Os nós problemáticos do Bairro Centro encontram-se num percurso de condutos principais que seguem do reservatório elevado ao Bairro Riachinho, sendo este percurso ideal para fazer as modificações, pois alcança as duas áreas problemáticas e também influencia numa vasta região central da cidade as quais abastece. Na Figura 11 a seguir é indicado os trechos nos quais serão feitas as intervenções nas tubulações, substituídos por tubos com maiores diâmetros.

36 35 Figura 11 Indicação dos trechos a serem modificados. Nessa intervenção foram substituídos os condutos principais de 200 mm e 150 mm de diâmetros de FoFo e 100 mm de diâmetros de PVC por condutos de 300 mm dos mesmos materiais. A Tabela 2 a seguir traz mais detalhes sobre as modificações. Tabela 2 Segmento de trechos com diâmetros modificados. Trecho Material Diâmetro atual (mm) Diâmetro modificado (mm) Condutos principais 154 FoFo FoFo FoFo FoFo FoFo FoFo FoFo PVC PVC

37 36 Na Figura 12 a seguir podemos ver o comportamento da rede após as modificações. Figura 12 Simulação com modificação nos diâmetros dos condutos principais ás 12:00 horas. Em comparação aos valores apresentados anteriormente na Figura 10, as pressões nos nós aumentam consideravelmente e as perdas de carga diminuem nos condutos principais substituídos. Há também uma resposta positiva nas áreas correspondentes aos Bairros Patos e Betânia. Os valores de perda de carga mais elevados encontravam-se nos Bairros Riachinho, todavia, em todo o percurso modificado as perdas de carga estavam acima de 8m/km. A Tabela 3 a seguir mostra os valores de perdas de cargas simulados em comparação aos valores anteriores do modelo base.

38 TPressão (m) 37 Tabela 3 Valores de perdas de carga simulados em comparação aos valores atuais. Trecho Material Perda de carga anterior (m/km) Perda de carga simulada (m/km) Comprimento (m) 154 FOFO 11,22 1, FOFO 10,22 1,72 57, FOFO 9,04 1,66 51, FOFO 24,09 0,86 289, FOFO 15,41 0,65 295, FOFO 16,16 0,59 250, FOFO 15,30 0,56 101, PVC 77,30 0,39 140, PVC 76,16 0,38 59,1917 Nos trechos onde foram feitas as intervenções os valores de perda de carga sofrem uma grande redução, porém, ainda existem trechos que apresentem valores elevados no Bairro Riachinho. As pressões baixas ainda são encontradas nas áreas problemáticas, principalmente no Bairro Riachinho. Nos nós 12 e 80, não houve variação significativa. No Gráfico 3 é apresentado a variação de pressão nos nós 12, 13, 75, 76, 77 e 80 após as intervenções. Gráfico 3 Pressão nos nós 12, 13, 75, 76, 77 e 80 após as intervenções Horas do dia Nó 12 Nó 13 Nó 75 Nó 76 Nó 77 Nó 80 Pressão mínima

39 38 A variação de pressão nos nós 75 e 76 é praticamente a mesma, se mantendo na faixa de 34 mca, onde antes variavam entre 24 mca e 0 mca. Nos nós 12 e 13 não houve muita variação de pressão em relação ao modelo base, o nó 12 não alcançou o valor mínimo recomendado por norma. O nó 77 apresentou variação de pressão entre 26 e 11 mca, estando de acordo com a NBR de No nó 80 permaneceram as pressões de 0 mca. Portanto, apenas modificações nos condutos principais não são suficientes para corrigir os problemas existentes de pressão, inclusive perdas de carga, devido à sobrecarga que o nó 80 gera na rede. Dando prosseguimento ás simulações, decidimos substituir também alguns condutos secundários para poder alcançar mais nós com pressões baixas, devido à proximidade dos resultados encontrados ao objetivo deste estudo. Na Tabela 4 a seguir são informadas as modificações dos condutos principais e secundários dos trechos escolhidos. Tabela 4 Segmento de trechos com diâmetros modificados. Trecho Comprimento (m) Material Diâmetro atual (mm) Diâmetro modificado (mm) Condutos principais FoFo ,6284 FoFo ,047 FoFo ,1879 FoFo ,4402 FoFo ,2312 FoFo ,3211 FoFo ,3856 PVC ,1917 PVC Condutos secundários 78 58,05 PVC ,5393 PVC ,2395 PVC PVC Na Figura 13 é indicado todos os trechos com substituição de tubulações.

40 Pressão (m) 39 Figura 13 Trechos com diâmetros modificados. Após estas intervenções foram obtidos os resultados desejados, alcançando valores de pressão a cima de 10 mca em todos os nós da rede. A pressão mínima encontrada foi de 10,61 mca, às 10:00 horas no nó 12. O Gráfico 4 mostra os resultados das pressões nos nós 12, 13, 75, 76, 77 e 80. Gráfico 4 Variação da pressão nos nós 12, 13, 75, 76, 77 e 80, após intervenções adicionais Horas do dia Nó 12 Nó 13 Nó 75 Nó 76 Nó 77 Nó 80 Pressão mínima

41 40 Na Figura 14 a seguir temos o modelo simulado as 10:00 horas após as intervenções. É possível perceber que ainda são encontrados trechos com perda de cargas elevadas em condutos secundários de PVC. Figura 14 Modelo simulado após as intervenções adicionais. Contudo, o fator principal considerado neste trabalho são os valores de pressão, que passaram a estar em conformidade com a NBR de Apesar de bem-sucedida, existe um ponto negativo nestas modificações: o transtorno que a obra pode causar a população. Os condutos a serem modificados vão desde o reservatório principal até o Bairro Riachinho totalizando metros de tubos, e para isso seria necessário a paralização da operação de rede numa vasta área da cidade durante a obra, inclusive interditar as vias durante o processo. Seria necessário haver um planejamento detalhado de execução da obra, com realização rápida, algo muito raro em obras públicas.

42 Avaliação da simulação 2 A escolha do local para adicionar o reservatório de nível fixo 2 (RNF 2) foi próximo ao nó 78 no Bairro Riachinho, com cota topográfica de 330 metros (em relação ao nível do mar), nó com maior cota na área. O RNF 2 tem altura de 18 metros a partir da cota do nó 78, tendo nível de água de 348 metros. Desta forma o RNF 2 tem as mesmas características do RNF, já existente no modelo base. Foi utilizada uma tubulação de conexão à rede de 3 metros de comprimento, com diâmetro de 300 mm. Não foram modificadas tubulações para inserção do reservatório, sendo conectado aos condutos secundários de 75mm. Na Figura 15 é ilustrado a simulação com adição do RNF 2. Figura 15 Simulação 2: Resultados após adição de RNF 2. A inserção do RNF 2 aumentou a pressão nas tubulações, causando certo impacto nas pressões dos nós entre os reservatórios e com cotas mais baixas, porém, não foram suficientes para corrigir todos os problemas de baixa pressão nos nós. Os nós 80 e 12, às 10:00 horas, continua com pressões abaixo do preconizado por norma. Os demais nós alcançaram valores de pressão acima de 10 mca, valor mínimo preconizado por norma. As perdas de carga elevadas continuam presentes na rede

43 42 de água em alguns trechos, no entanto, as melhorias neste aspecto ainda são notáveis, como mostra a Figura 16. Figura 16 Valores de pressão e perda de carga no modelo base (A), em comparação às simulada após as intervenções (B).

44 43 Observando os valores na legenda nas imagens, é notável que as áreas correspondentes aos Bairros Centro, Patos e Betânia também tiveram melhorias consideráveis, com valores de pressão maiores e perdas de carga bem menores. Apesar da diminuição, as perdas de carga não apresentam valores tão bons quanto os da simulação 1. Em suma, esta intervenção teve impacto positivo na rede, porém, ainda estão presentes valores de pressão baixa em alguns pontos da rede. Portanto, apenas a adição de um RNF na rede não é suficiente para erradicar os problemas de pressão baixa. Todavia, devemos lembrar que o modelo base é uma versão simplificada da rede de água real, e não ela em sua totalidade. Não se pode desconsiderar a eficácia desta intervenção pois pode haver um ponto não ilustrado no modelo onde a adição de um RNF seja eficaz em relação ao objetivo deste estudo. 4.3 Avaliação da simulação 3 Esta simulação tem como base os resultados da simulação 2, sendo feita a análise dos nós que ainda apresentaram pressões inferiores ao recomendado pela NBR de 1994 após a adição do RNF 2 e, por conseguinte, a escolha dos trechos a serem modificados, tendo o mesmo posicionamento e comprimento, com mudança apenas nos diâmetros. Além de condutos principais, também foram escolhidos condutos secundários, de modo a aumentar a pressão no ponto mais problemático da rede, o nó 80. A Tabela 5 a mostra os trechos selecionados e suas alterações. Tabela 5 Trechos com diâmetros modificados. Simulação 3 Trecho Comprimento (m) Material Diâmetro atual (mm) Diâmetro modificado (mm) FoFo ,6284 FoFo ,05 PVC ,5393 PVC PVC