ID Nº 106 APLICAÇÃO DE SIMULADORES HIDRÁULICOS NA ESTIMATIVA DE PERDAS REAIS

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1 1 ID Nº 106 APLICAÇÃO DE SIMULADORES HIDRÁULICOS NA ESTIMATIVA DE PERDAS REAIS Luiz Eduardo Mendes (1) Tecnólogo e Engenheiro Civil, Engenheiro da Gerência de Controle de Perdas do SAAE Guarulhos. Luiz de Souza Araujo (2) Engenheiro Sanitarista, Doutor em Engenharia Civil, Sócio Proprietário da MAI Concultoria e Projetos Antonio Reynaldo Ferrer Jr. (3) Técnico em Informática, Atualmente na Gerência de Informática do SAAE Guarulhos. Thiago Garcia da Silva Santim (4) Engenheiro Civil e Mestre em Recursos Hídricos e Tecnologias Ambientais pela Unesp de Ilha Solteira. Atualmente trabalha na Gerência de Controle de Perdas do SAAE Guarulhos. Endereço (1) :Av. Emilio Ribas, 1247 Bairro Gopouva Guarulhos São Paulo - CEP: Brasil -Tel: +55 (11) luizmendes@saaeguarulhos.sp.gov.br. RESUMO As concessionárias brasileiras responsáveis pela operação dos sistemas de distribuição de água têm como um dos principais problemas a perda de água, que atualmente apresenta o índice médio de 38%. A perda pode ser de duas naturezas, a chamada perda aparente, caracterizada pela submedição dos micromedidores e a perda real que é provocada, em grande parte, pela operação deficiente dos sistemas de distribuição de água. A parcela real das perdas é uma das grandezas com maior dificuldade para sua quantificação, pois poucas concessionárias que utilizam a técnica do balanço hídrico, indicado

2 2 pela International Water Association (IWA), estimam o valor de perdas reais a partir da apuração das demais parcelas componentes do balanço hídrico. Neste trabalho, para quantificar os volumes de perdas reais, será verificada a viabilidade de utilizar os modelos de simulação acoplados a um sistema SIG, com operação conjunta a um sistema SCADA e assim estimar o volume de perdas reais de forma contínua. Palavras-chave: Operação de Sistemas de Abastecimento de Água. Modelagem hidráulica. Perdas Reais de Água 1. INTRODUÇÃO A gestão da operação dos sistemas de produção e distribuição de água, segundo Bezerra (2013), tem sido um dos problemas que vem afetando o desempenho dos órgãos gestores do saneamento. Bezerra (2013) ainda cita que o Banco Mundial estima em 32 bilhões de metros cúbicos de água tratada são perdidos anualmente em vazamentos e em operações nos sistemas urbanos de distribuição de água e que outros 16 bilhões são distribuídos gratuitamente. Vicentini (2012) afirma que em um sistema de abastecimento de água, desde sua captação inicial até a entrada de água tratada no domicílio do consumidor final, ocorrem perdas de água por diversos motivos, o que torna o nível de perdas indicador principal do grau de eficiência de uma prestadora de serviços de saneamento. A ausência de uma gestão eficaz, somada às estruturas deterioradas e aos padrões de consumo incompatíveis, levarão cada vez mais a conflitos pelo uso dos recursos hídricos existentes. Assim, além da melhoria da gestão, os prestadores de serviços de saneamento têm o desafio da universalização que hoje, em razão da baixa eficiência da maioria dos prestadores, demanda uma maior quantidade de recursos hídricos para o atendimento. 2. OBJETIVO

3 3 O objetivo principal deste trabalho é estudar a viabilidade da aplicação da modelagem numérica de redes de distribuição de água com a customização do programa Epanet 2.0, na operação dos sistemas de abastecimento de água, com foco na estimativa dos volumes de perdas reais de água. 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1 Perdas de Água em Sistemas de Abastecimento As perdas de água em sistemas de abastecimento têm suas causas devido a diversos fatores que podem ser infraestruturais e/ou operacionais. Bezerra (2013) cita que tais fatores são dependentes das características das redes de distribuição existentes que podem ser diretamente afetadas pela maneira como é executada a operação do sistema distribuidor. Nos órgãos prestadores de serviços de saneamento, e também nos reguladores, é usual expressarem as perdas de água através indicadores percentuais. Nesses indicadores são relacionados os volumes destinados à distribuição, que é denominado de volume macromedido, com o volume distribuído, denominado micromedido. Segundo Bezerra (2013), tal prática induz a interpretações equivocadas, exigindo a uniformização da terminologia adotada, bem como a definição dos indicadores mais apropriados para o estudo das perdas, o que ocorreu em 1997 quando a IWA (International Water Association) criou um grupo de trabalho específico para o tratamento da questão de perdas de água. Vicentini (2012) salienta que o trabalho desenvolvido por este grupo, resultou no chamado balanço hídrico, método utilizado para quantificação e qualificação dos volumes perdidos no sistema distribuidor. Todavia, aplicar o balanço hídrico em todo o sistema de abastecimento é uma tarefa bastante difícil e impede uma análise mais detalhada de cada distrito de medição que compõe o sistema de abastecimento. O sistema de medição por distrito, conforme exposto na Figura 01, tem por objetivo a medição das vazões que entram e saem das DMC - Distrito de Medição e Controle - bem como das vazões consumidas com a finalidade de determinar as perdas de água em cada DMC e individualizar as análises das peculiaridades de cada um dos distritos. De acordo com Alves (2012), os métodos que podem ser aplicados para avaliação de perdas por distrito são: o método volumétrico e o das vazões mínimas noturnas.

4 4 Figura 01 - Sistema de abastecimento dividido em distritos de medição e controle (Fonte: adaptado de Alegre et al., 2005) O método volumétrico consiste no monitoramento dos volumes distribuídos para uma determinada DMC, cujos volumes são contabilizados com periodicidade semanal ou mensal e servirão para compor o chamado balanço dos volumes de água aduzidos, exportados e consumidos durante uma determinada campanha de medição. Já método das vazões mínimas noturnas é baseado na análise detalhada das vazões durante o período de menor consumo, o que normalmente ocorre entre das 3 às 5 h da manhã conforme apresentado pelos registros de vazão da Figura 02. Figura 02 - Vazões mínimas noturnas (Fonte: Jacob, 2006) Balanço Hídrico (IWA) O cálculo do balanço hídrico, corresponde ao principal modelo para a avaliação e controle das perdas. Vicentini (2012) afirma que os volumes envolvidos nas análises devem

5 5 primeiramente ser calculados, baseados nos volumes de macro e micromedição e somente a partir deles, evidentemente, é que se podem construir os indicadores. A construção do balanço pode se dar a partir do cálculo de perdas aparentes, chamado de método top down ou a partir do cálculo de perdas reais que tem a denominação de método botton up. Quando o balanço hídrico é calculado a partir da determinação das perdas reais, o que é menos comum, pois além do monitoramento da vazão mínima noturna durante todos os dias da semana, é necessária a determinação das parcelas de consumo do período de ocorrência desta vazão mínima para que seja abatido do valor mensurado pelo macromedidor. 3.2 Modelagem de Sistemas de Abastecimento de Água Segundo Alves (2012), os modelos numéricos, com a finalidade de simular um sistema de distribuição de água, consistem em algoritmos, que podem ser diretos ou iterativos, buscando caracterizar e relacionar todas as variáveis do sistema de abastecimento, como as pressões, vazões e perdas de carga que ocorrem nas diversas alternativas de operação Simulação hidráulica As simulações desenvolvidas com a construção de modelos utilizam possíveis cenários de projeto para o sistema de distribuição que se pretende analisar. Existem atualmente vários softwares de modelagem computacional que permitem tais simulações, como o WATERCAD, EPANET, WATERGEMS dentre outros. O processo de escolha do softwares de modelagem a ser utilizado deve considerar vários aspectos, tais como: custo, facilidade de utilização, operacionalidade, flexibilidade do programa, robustez do modelo, velocidade de processamento, integração com bases de dados de CAD, SIG e SCADA e o apoio técnico do desenvolvedor bem como a disponibilidade de manuais de operação do programa. 3.3 Algoritmo Genético (AG)

6 6 Na operação rotineira de um sistema de distribuição de água é frequente a necessidade de tomada de decisões sem que se possa garantir que a possível decisão tomada seja a solução mais adequada para a situação apresentada, isto é extrair o maior benefício possível. O processo de busca da melhor opção operacional é chamado de otimização, tal processo de busca está presente na natureza e é comprovada pela Teoria da Seleção Natural e de Adaptabilidade de Charles Darwin. Baseadas na teoria da evolução foram desenvolvidas técnicas computacionais para otimização de sistemas no mundo real. Para Araujo (2005) os algoritmos genéticos são uma alternativa aos métodos clássicos de otimização e que não devem ser confundidos com as técnicas de busca de máximos e mínimos, tal como os métodos meta-heurísticos, estes que utilizam o cálculo de derivadas, atuando diretamente na busca das soluções no espaço viável. Ainda de acordo com Araujo (2005) os AGs são compostos por cromossomo - este que é uma cadeia de caracteres que representa alguma informação relativa às variáveis do problema e cada solução para o problema proposto é representada, deste modo, para cada cromossomo; gene - definido como a unidade básica do cromossomo que representa uma variável do problema, cada conjunto de genes forma um cromossomo; população - definida como o conjunto de cromossomos ou soluções; número de geração - total de vezes que o AG é executado; operações genéticas - operações realizadas pelo AG sobre cada cromossomo; espaço de busca ou região viável - intervalo de procura da possível solução para o problema apresentado; e por fim a função-objetivos ou de aptidão (fitness) - função que se pretende aperfeiçoar e que contém a informação numérica do desempenho de cada cromossomo na população. 4. METODOLOGIA Para a verificação da viabilidade da utilização dos modelos matemáticos para a estimativa da perda de água real através do simulador EPANET 2.0 integrado ao sistema de telegestão foram testadas duas situações: uma com abastecimento pleno e outra passando por rodízio, onde foi utilizado um modelo adaptado sugerido por Coelho et al., (2006), cujo fluxograma de atividades está na Figura 03.

7 7 Figura 03 - Fases de construção de um modelo Hidráulico (Fonte: Adaptado de Coelho El al., 2006) Escolha da DMC para Construção do Modelo Para verificação da aplicabilidade da modelagem em tempo real, os critérios para escolha da área foram os seguintes: elevada perda de água por ramal em L/lig dia; pressões elevadas; idade da rede; elevado número de vazamentos; consumo de energia para o transporte da água. Assim, a DMC que atendeu a maior parte dos requisitos mencionados foi a DMC Wilson Celestino, esta que faz parte da área do setor de abastecimento Cidade Martins, localizado na porção norte do município de Guarulhos Construção do Modelo Físico A construção do modelo físico da rede de distribuição para o estudo proposto será feita através da extração de dados do SIG, que utiliza o programa AutocadMap como interface para inserção e extração de dados das redes e singularidades através de módulo específico para extração das informações. A Figura 04 apresenta o modelo e a função de exportação dos dados em arquivo INP.

8 8 Figura 04 - Tela de exportação de arquivo *inp (Fonte: Programa AutocadMap- SAAE Guarulhos) O modelo passou por um processo de calibração feito através do processo iterativo, onde foram realizadas medições de pressão em campo Determinação dos Consumos Além do consumo base foi necessário estabelecer, com base em medições de vazão ao longo do tempo, um perfil de consumo que descrevesse a variação do consumo ao longo das horas, pois para que o modelo de simulação apresentasse resultados que simulassem as grandezas verificadas em campo foi necessário, além das características da topologia das redes, a correta distribuição dos consumos entre os diversos pontos da rede simulada. Araujo (2005) e Coelho et al., (2006) afirmam que a distribuição dos consumos pode ser feita a partir dos volumes acumulados de 12 meses de micromedido com a somatória dos volumes micromedidos de cada ligação de água, sendo os volumes são distribuídos pelos nós em valores absolutos. A Figura 05 trata de um exemplo de distribuição de vazões conforme exposto supra em que as vazões de base são dadas por q1, q2, q3, q4, q5, q6 e q7 sendo a vazão total fornecida indicada por Q.

9 9 Figura 05 - Vazão total fornecida e consumo em uma rede de distribuição: (Fonte: Adaptado de Coelho et al., 2006) Determinação do Padrão de Consumo por Perdas Para o cálculo das estimativas de vazões perdidas por vazamentos foi utilizado o algoritmo genético desenvolvido e utilizado por Araujo (2005). Tal algoritmo é dividido em duas partes: na primeira, são calculados os fatores de consumo horário (f c ), já na segunda parte o próprio modelo estabelece um valor para o coeficiente de vazamento (c) e novos fatores de consumo horários (f c,t ) conforme segue: Primeira parte: estabelece-se um valor para ser testado, fixo para todas as tubulações da rede, para o coeficiente de escoamento dos orifícios c = 0,00005 l/s m (m c.a.) 1,18. Assim, calculam-se os valores de K f que é o coeficiente de fuga ou emissor que será usado pelo módulo customizado do programa Epanet para cada nó da rede, conforme Equação 01. Na Equação 01 a variável M é o n.º de tubulações ligadas ao nó i; C é o coeficiente de escoamento dos orifícios; Lij é o comprimento total das tubulações adjacentes ao nó. Assim, determina-se um consumo base (qb i ) pré-estabelecido para cada nó. Associa-se, para cada nó, um fator de consumo (f c, t ) para a hora H e um consumo base (qb i ). Simula-se a rede, neste caso com o programa Epanet, para uma condição hidráulica de regime estático numa primeira simulação e regime estendido ou dinâmico para as demais simulações. Determina-se, com os resultados gerados, um padrão horário de consumo total isto é, um consumo efetivo e vazamento.

10 10 K c M i 0,5 f L ji j 1 (Equação 01) Segunda parte: os resultados de vazões gerados são posteriormente utilizados para simular uma leitura de vazões na entrada da rede. Calcula-se a percentagem de vazamento para a hora que corresponde ao menor consumo. Na Figura 06 é apresentada a janela de inserção de parâmetros para o cálculo de perdas reais, através do algoritmo genético desenvolvido por Araujo (2005), que foi adaptado para operação junto ao módulo customizado do Epanet, instalado junto ao SIG utilizado pelo SAAE Guarulhos. Figura 06 - Janela de inserção de parâmetros para cálculo de perdas reais (Fonte: Sistema SIG-Epanet- SAAE Guarulhos) 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO Após a calibração do modelo, foram executadas as simulações necessárias para o cálculo da estimativa dos volumes de perdas de água dentro da DMC objeto de estudo nas situações de operação 1, que trata do abastecimento sem rodízio, e 2, considerando o rodízio. 5.1 Resultados da Estimativa de vazões Situação Operacional 1 As vazões de perdas físicas foram calculadas a partir da vazão mínima noturna sendo o cálculo expandido para as demais horas do dia válidas para as situações operacionais 1 e 2.

11 PADRÃO 11 Na Figura 07, é exibida janela com a exibição das vazões de consumos efetivos e de perdas calculadas pelo módulo. Figura 07 - Janela de valores finais de cálculo de vazões- Situação Operacional 1 (Fonte: Fonte: Sistema SIG-Epanet- SAAE Guarulhos) Na Figura 08 são mostrados os padrões de consumo usados para corrigir as vazões de base com e sem perdas, ambos obtidos através do módulo do algoritmo genético. Figura 08 - Padrões de consumo com perdas e sem perdas - Situação Operacional 1 (Fonte: Módulo SIG-Epanet, SAAE Guarulhos) 4,500 4,000 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 0,500 0,000 HORAS INICIAL CORRIGIDO A partir dos padrões, as vazões de perdas foram calculadas. Na Figura 09 é mostrada a evolução das curvas de vazões de entrada de consumo efetivo e de perdas de água.

12 VAZÕES (L/s) 12 Figura 09 - Vazões de Consumo com perdas e sem perdas- Situações Operacionais 1 (Fonte: Módulo SIG-Epanet, SAAE Guarulhos) 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,0011,0012,0013,0014,0015,0016,0017,0018,0019,0020,0021,0022,0023,0024,00 HORAS COM VAZAMENTOS SEM VAZAMENTOS VAZAMENTOS Após a determinação das estimativas de perdas reais, foi calculado o volume de perdas horário e finalmente totalizado na DMC estudada para a situação operacional 1, tendo sido obtido o volume total de perdas reais de 1434,88 m 3 /dia. 5.2 Verificação do Funcionamento do Módulo Situação Operacional 2 Conforme apresentado pela Figura 10 é mostrada a entrada de dados de vazões de acordo com a curva de consumo obtida dos medidores de vazão na entrada da DMC, na situação de operação de racionamento de água. A seguir foi executada a mesma rotina de cálculo para a determinação das vazões de perdas, e foi possível observar, como mostra o gráfico da Figura 11, que ao iniciar o abastecimento do setor, operação realizada no final da madrugada entre cinco e seis horas da manhã, ocorreu um valor muitas vezes superior a vazão normal de abastecimento devido às tubulações e reservatórios dos imóveis estarem todos desabastecidos. O primeiro problema que foi verificado foi uma perda de carga excessiva, em segundo lugar foi verificada a ocorrência de pressões negativas, que tem como significado físico o não atendimento de algumas partes da rede, abastecimento que passou a ocorrer somente depois da redução da vazão.

13 0:00:00 0:30:00 1:00:00 1:30:00 2:00:00 2:30:00 3:00:00 3:30:00 4:00:00 4:30:00 5:00:00 5:30:00 6:00:00 6:30:00 7:00:00 7:30:00 8:00:00 8:30:00 9:00:00 9:30:00 10:00:00 10:30:00 11:00:00 11:30:00 12:00:00 12:30:00 13:00:00 13:30:00 14:00:00 14:30:00 15:00:00 15:30:00 16:00:00 16:30:00 17:00:00 17:30:00 18:00:00 18:30:00 19:00:00 19:30:00 20:00:00 20:30:00 21:00:00 21:30:00 22:00:00 22:30:00 23:00:00 23:30:00 0:00:00 13 Para a finalidade de totalização das perdas reais de água, este tipo de operação provoca uma anomalia, dada que as vazões de vazamentos variam com a pressão, ocorrendo na abertura do sistema diversos nós com pressões negativas, chegando a valores de perdas negativos, o que obrigou a criar um filtro no programa para não contabilizar os volumes calculados. Tal comportamento do modelo, pode ser notado no período das 12:00 às 13:30 horas, (Figura 11) em que o setor de operações reduz a velocidade de rotação das bombas para recuperar o reservatório de distribuição, apesar de não ocorrerem vazões negativas se percebe uma redução que se aproxima do valor zero. O volume de perdas reais estimado pelo modelo para as condições de rede e pressão e consumos efetivos foi de 746, 53m 3 /dia. Figura 10 - Janela de valores finais de cálculo de vazões- Situação Operacional 2 (Fonte: Sistema SIG-Epanet- SAAE Guarulhos) Figura11 - Curvas de consumo para a DMC Wilson Celestino- Situação Operacional 2 (Fonte: Módulo SIG-Epanet, SAAE Guarulhos) COM VAZAMENTOS SEM VAZAMENTO VAZAMENTOS

14 Balanço Hídrico DMC Wilson Celestino A determinação da estimativa de volumes de perdas reais é executada todos os dias, sendo que eventuais desvios da média, para cima, acionam um alarme automático para o responsável pela operação. Todos os valores de volumes são calculados e enviados para o SACP, onde junto com as outras variáveis do sistema é construído o balanço hídrico. Na Figura 12 é apresentado o balanço hídrico emitido de forma automática pelo sistema SACP, onde os valores dentro dos quadros em azul são os valores medidos ou estimados pelo sistema, já os inseridos nos quadros em amarelo são os valores calculados levando-se me conta as incertezas. Figura 12 - Balanço Hídrico (Fonte: SACP-SAAE Guarulhos) Consumo autorizado faturado Consumo medido faturado Água faturada Margem de erro (+- 5,2 %) Margem de erro (+- 5,2 %) Margem de erro (+- 5,2 %) 587, , , , , , , , , Consumo autorizado Margem de erro (5,35 %) 743, Consumo autorizado não faturado 709, , Margem de erro ( %) Consumo medido não faturado Margem de erro (0 %) Volume de entrada no sistema Margem de erro (+-1,50 %) 1,385, , Consumo em núcleos 152, , Margem de erro (+-2,5 %) 156, , , ,364, ,406, Imprecisão dos medidores e erros de manipulação dos dados Perdas de Água Margem de erro (+- 163,72 %) 641, , , Margem de erro (+-2,50 %) Água não faturada Margem de erro (+- 16,30 %) 114, , Perdas Comerciais 111, , Margem de erro (+- 2,95 %) 111, , , , , Consumo Clandestino Margem de erro (+ 15,00 %) 3, , , Perdas Operacionais 523, Margem de erro ( %) 500, , Perdas Físicas Margem de erro (+- 4,5 %) 523, , , CONCLUSÃO No levantamento dos requisitos necessários para a implementação da automação do cálculo de perdas reais foi possível atender as solicitações indicadas pela literatura e também

15 15 verificar a procedência de algumas observações feitas pelos autores, mas podemos levantar alguns outros pontos que não foram mencionados, a saber: A manutenção da operação e da precisão dos macromedidores de vazão, quesito que costuma ser relegado pelas concessionárias e quando o fazem não seguem critérios rígidos de calibração; A determinação da submedição do parque de micromedidores, que influência diretamente no cálculo dos consumos base e da vazão mínima noturna; Individualização do consumo de grandes usuários. Os itens acima expostos foram levados em consideração na montagem do módulo de cálculo de estimativa de perdas reais desenvolvido dentro do tempo disponível para esta pesquisa. Quanto à determinação de estimativas dos volumes de perdas reais, a ferramenta demonstrou ser factível o seu uso, ainda que demonstre algumas ressalvas que devam ser levadas em consideração, como na ocorrência de pressões negativas, seja por interrupção no abastecimento para realização de reparos na rede ou por alteração nas condições operacionais de abastecimento, o que provocou a ocorrência de volumes negativos de perdas, sendo necessário prever no sistema um filtro para a não contabilização destes volumes. 7. REFERÊNCIAS ARAÚJO, Luiz S. Controlo de perdas na gestão sustentável dos sistemas de abastecimento de água. 302 p. Dissertação (Doutorado em Engenharia Civil). Universidade Técnica de Lisboa, Lisboa, BEZERRA, S.T.M.; CHEUNG, P.B. Perdas de água, tecnologias de controle, João Pessoa, UFPB, COELHO, S.T.; LOUREIRO, D.; ALEGRE, H. Modelagem e análise de sistemas de abastecimento de água, Instituto Regulador de Águas e Resíduos, Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa, 335 p., VICENTINI, Liliana Pedroso. Componentes do balanço hídrico para avaliação de perdas em sistemas de abastecimento de água. 196 p. Dissertação (Mestrado). Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2012.