MODELAGEM HIDRÁULICA DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA DE SÃO GABRIEL DO OESTE / MS BRASIL

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1 MODELAGEM HIDRÁULICA DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA DE SÃO GABRIEL DO OESTE / MS BRASIL Ricardo Verde Selva Engenheiro Civil pela Universidade Federal de Mato Grosso do Sul. Especialista em Administração. Especialista em Adm. da Produtividade e da Qualidade Total. Professor Titular da Disciplina Sistema de Abastecimento de Água do Curso de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Católica Dom Bosco. Gerente Técnico de Saneamento da Agência de Regulação de Campo Grande Mato Grosso do Sul/Brasil. verdeselva@mslink.com.br Paulo César Barbosa Pereira Engenheiro Civil pela Universidade Federal de Mato Grosso do Sul. Especialista em Administração de Sistemas de Informações. Especialista em Adm. da Produtividade e Qualidade Total. Diretor Técnico da Empresa Quíron Serviços de Engenharia Campo Grande, Mato Grosso do Sul/Brasil. paulopereira@mslink.com.br Romeu Bortolás Engenheiro Sanitarista Ambiental pela Universidade Católica Dom Bosco. Engenheiro Projetista da Empresa Quíron Serviços de Engenharia Campo Grande, Mato Grosso do Sul/Brasil. bortolas@mslink.com.br Resumo: Na operação de Sistemas de Abastecimento de Água, o objetivo a ser alcançado, em geral, é o atendimento das demandas, com o mínimo custo e o máximo benefício além de garantir a confiabilidade permanente do sistema. Este trabalho discute e propõe uma metodologia para a utilização da modelagem hidráulica como uma eficiente ferramenta de controle operacional de Sistemas de Abastecimento. Esta metodologia está sendo aplicada, com a utilização do software EPANET, no Sistema de Abastecimento da cidade de São Gabriel do Oeste. Situada no centro norte do Estado de Mato Grosso do Sul, São Gabriel do Oeste é uma típica cidade do Centro Oeste brasileiro, que tem na agricultura sua principal atividade econômica e conta com aproximadamente ligações de água. Palavras-chave: modelagem hidráulica, operação de sistemas de abastecimento de água, EPANET. INTRODUÇÃO O controle da operação de sistemas hídricos constitui tema de maior relevância na atualidade, principalmente se encarado sob a ótica da sustentabilidade dos recursos água e energia elétrica. Dentre os sistemas hídricos urbanos, destacam-se os sistemas de abastecimento de água, que espalhados pelo mundo todo, chegam a perder até 60% do volume total produzido e quimicamente tratado. Tais perdas implicam em despesas desnecessárias relativas a custos de produção da água e requerem investimentos prematuros, no que se refere à expansão do sistema ou necessidade de exploração de novas fontes de recursos hídricos. Tais fatos, associados à perspectiva atual de pagamento pelo uso da água, vem preocupando os profissionais da área, e levando-os a propor soluções no sentido de minimizar o problema das perdas de água. A gestão operacional dos referidos sistemas pode ser realizada com menor dificuldade, desde que o comportamento dos mesmos possa ser simulado, face a diferentes estratégias operacionais atuais e futuras. Para tanto, é requerido um ferramental básico que vise a análise do comportamento das unidades operacionais, a modelagem hidráulica do sistema de abastecimento de água. 1

2 O trabalho apresenta resultados preliminares já obtidos da experiência desenvolvida pela equipe da Quíron Serviços de Engenharia em parceria com o Serviço Autônomo de Águas e Esgotos (SAAE) de São Gabriel do Oeste, no controle operacional do sistema, com a utilização de modelagem hidráulica. Diante do exposto fica demonstrada a contribuição deste trabalho no sentido de oferecer ferramentas de modelagem para uma gestão eficaz de sistemas de abastecimento de água. OBJETIVOS Geral: Avaliar a utilização de modelagem hidráulica como ferramenta de controle operacional de sistemas de abastecimento de água. Específicos: Dentre os objetivos específicos do trabalho, destacam-se: Propor uma metodologia para a distribuição de demanda espacial e temporalmente na modelagem de sistemas de abastecimento de água; Avaliar a metodologia de calibração iterativa (baseada em tentativa e erro) do modelo hidráulico; Avaliar a utilização do modelo no diagnóstico operacional do sistema e Avaliar a utilização do modelo na elaboração de simulações de cenários futuros. METODOLOGIA UTILIZADA O estudo foi desenvolvido no Sistema de Abastecimento de Água (SAA) de São Gabriel do Oeste / MS, município com uma superfície de km², localizado em áreas elevadas do bioma Cerrado, na Microrregião Geográfica do Alto Taquari, no centro norte do Estado de Mato Grosso do Sul, no Centro Oeste brasileiro. A sede do município situada entre as latitudes 18º40 00 S e 19º35 00 S e longitudes W.Gr. 54º10 00 e 54º50 00, distando 150 km de Campo Grande, capital do estado, apresenta uma topografia relativamente plana, cortada por dois pequenos córregos conforme se observa na Figura 01. Figura 01. Vista aérea da cidade de São Gabriel do Oeste De acordo com os Censos realizados pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IBGE, a partir de 1991 a sede do município apresentou a evolução populacional conforme o Quadro 01. Ainda conforme o Censo de 2000, a taxa de ocupação é de 3,66 habitantes por domicilio. Quadro 01. Evolução populacional urbana de São Gabriel do Oeste Ano 1991 (1) 1996 (2) 2000 (1) População (hab) Taxa Anual (%) 5,15 4,95 (1) Censo (2) Contagem Populacional Fonte: IBGE 2

3 É importante ressaltar que, na região existem pontos de afloramento do Aqüífero Guarani, considerado a maior reserva subterrânea de água doce da América do Sul e do mundo, ocupando uma área total de 1,2 milhões de km². A responsabilidade pela operação do sistema é do Serviço Autônomo de Água e Esgoto de São Gabriel do Oeste, autarquia municipal. O SAA conta com ligações (ref. Fevereiro/2007) distribuídas em dois setores de abastecimento, 102 km de tubulação com diâmetros variando de DN50 até DN200, 4 poços tubulares profundos e ainda 3 centros de reservação conforme esquema visto na Figura 02. Figura 02. Esquema hidráulico do Sistema de Abastecimento de Água O manancial utilizado em São Gabriel do Oeste é exclusivamente o subterrâneo. O aqüífero subterrâneo da região é o Guarani, apresentando afloramento dentro do perímetro urbano (PT-03), a margem do Córrego Capão Redondo, próximo a rodovia BR-163. A captação é feita através de quatro Poços Tubulares Profundos (PT-01, PT-02, PT-03 e PT-04) com uma capacidade nominal total de 329 m 3 /hora. O volume de água produzido pelos poços em funcionamento é medido através de macromedidores do tipo Woltmann. O tratamento da água captada nos poços é feita nos centros de reservação, constando apenas de desinfecção preventiva com hipoclorito de sódio e aplicação de ácido fluorsilicico, com a utilização de bombas dosadoras. O sistema não possui Estação Elevatória de Água Bruta ou de Água Tratada em operação. A Estação Elevatória de Água Tratada EEAT 01, situada entre os reservatórios RAP-01 e REL-03, não está montada e não possui equipamentos instalados, possui apenas a parte civil. No sistema existem basicamente 3 adutoras em operação: Adutora PT-02 / REL-01, diâmetro DN 200, em ferro fundido e 23,20 m de comprimento; Adutora PT-04 / RAP-01, diâmetro DN 150, em PVC DEFoFo e 27,70 m de comprimento; Adutora PT-03 / REL-02, diâmetro DN 200, em PVC DEFoFo e m de comprimento. O volume de reservação do sistema totaliza cerca de 700 m 3 distribuídos em 2 reservatórios elevados e 1 reservatório apoiado em operação; além de 1 reservatório elevado (REL-03) que atualmente não esta em operação. Não existe telemetria nem telecomando, a automação é feita através de bóia eletromecânica convencional e linha física em todos os sistemas de produção/reservação. Para cálculo do índice de perdas ou indicador percentual, utilizou-se dados de macromedição (volume produzido) e micromedição (volume consumido) referentes ao mês de fevereiro de

4 Considerando volume produzido de m³ e volume consumido de m³, tem-se o índice de perdas percentual de 22 %, no período acima referido. O cadastro comercial é bastante confiável e possuí ainda hidrômetro instalado em todas as ligações de água (100% de hidrometração). Verifica-se que o sistema atende aproximadamente 95% da população urbana da sede do município. Os 5% restantes, na sua maioria, possuem sistema próprio de abastecimento em virtude da facilidade de obtenção de água de boa qualidade através do manancial subterrâneo (Aqüífero Guarani). A área urbana possui aproximadamente lotes, o sistema de abastecimento de água atende ligações (ref. Dezembro/2006) com economias (Quadro 02), verifica-se, portanto que existe um estoque da ordem de lotes urbanos, na sua grande maioria com disponibilidade de rede de água. Quadro 02. Evolução do nº de economias ANO Economias Residenciais Economias Comerciais Economias Industriais + PP Economias PP: Poder público Fonte: SAAE São Gabriel do Oeste Método é uma palavra de origem grega e é a soma das palavras META (que significa além de ) e HODOS (que significa caminho). Portanto método significa caminho para se chegar a um ponto além do caminho (Campos,1994). O caminho utilizado para construção do modelo foi o método do Ciclo PDCA (PLAN, DO, CHECK, ACTION), composto de quatro fases básicas: planejar, executar, verificar e atuar corretivamente. O modelo hidráulico do Sistema de Abastecimento de Água de São Gabriel do Oeste foi elaborado utilizando o software EPANET, desenvolvido pela U.S. Environmental Protection Agency (EPA), dos Estados Unidos da América, adaptado e traduzido para a língua portuguesa pelo Laboratório Nacional de Engenharia Civil de Lisboa, Portugal. O EPANET foi concebido para ser uma ferramenta de apoio à análise de sistemas de distribuição, melhorando o conhecimento sobre o transporte e o destino dos constituintes da água para consumo humano. Pode ser utilizado em diversas situações onde seja necessário efetuar simulações de sistemas de distribuição. O estabelecimento de cenários de projeto (por exemplo, expansão de uma rede existente), a calibração de modelos hidráulicos, a análise do decaimento do cloro residual e a avaliação dos consumos constituem alguns exemplos. O EPANET pode ajudar a analisar estratégias alternativas de gestão, de modo a melhorar a qualidade e a distribuição da água através do sistema (Rossman, 2000). PLAN DO CHECK ACTION Formulação do modelo. Identificação do sistema; Determinação dos objetivos do estudo; Coleta e análise de dados do sistema. Figura 03. Atividades por fase do Ciclo PDCA Calibração e validação do modelo. Organização e execução das simulações; Análise e avaliação dos resultados; Manutenção do modelo. 4

5 Os procedimentos de calibração de redes de distribuição de água podem ser divididos basicamente em 3 categorias: iterativos, explícitos ou diretos e implícitos ou inversos. O procedimento iterativo geralmente é baseado em tentativa e erro, os parâmetros de calibração são avaliados a cada iteração usando comparações entre pressões e vazões medidas e simuladas. Os explícitos (diretos) resolvem um conjunto de equações que descrevem o comportamento hidráulico da rede. No caso dos implícitos (inversos), realizam a estimativa de valores para os parâmetros a partir da minimização dos desvios entre os valores simulados hidraulicamente e dados correspondentes observados de pressão e vazão (Silva et al.,2003). RESULTADOS As principais atividades executadas nessa construção de modelo estão representadas no fluxograma constante da Figura 04. Figura 04. Fluxograma de elaboração do modelo hidráulico Na etapa de Planejamento (PLAN), após a identificação do sistema, ficou estabelecido que o principal objetivo do modelo seria a utilização como ferramenta operacional de uso diário na gestão do sistema. Sendo necessário, portanto, informações detalhadas do sistema. Uma parte significativa dessas informações consta dos cadastros comerciais e operacionais do SAAE: localização das válvulas e registros, identificação das automatizações e rotinas operacionais, planta planialtimétrica da malha urbana, cadastro da rede de distribuição, identificação das bombas e características das instalações diretamente envolvidas no sistema de abastecimento. Para a rede de distribuição foi adotado o critério de se lançar todos os tubos independentemente do seu diâmetro, ou seja, um nível mínimo de esqueletização com a geração de aproximadamente 700 nós e 940 tubagens. Sendo o cadastro a base da representação do sistema, utilizou-se de planta atualizada na extensão.dwg, com a validação do pessoal de operação e manutenção do sistema. As demandas de consumo dos nós foram determinadas a partir da média dos últimos 3 meses das leituras dos micro-medidores (hidrômetros), fornecidos pelo setor comercial. A cada nó da rede foram atribuídos os consumos das ligações existentes na área de influência, delimitada pela metade da extensão de cada um dos trechos ligados ao nó. 5

6 A partir dessa associação (nó ligação), foi criado no sistema de cadastro comercial o atributo nó a cada um dos registros, conforme se pode observar na Figura 05 onde se encontra uma parte do banco de dados do sistema comercial. CADASTRO / NÓ DE DISTRIBUIÇÃO Código Endereço Bairro Quadra Lote Média Nó 2293 Rua Manoel Rosa, 367 Jardim Primavera N Rua Eug\'eanio Ferreira da Cunha, 1006 Jardim Primavera N Rua Eug\'eanio Ferreira da Cunha, 1130 TELEF Jardim Primavera N Rua Manoel Rosa, 355 Jardim Primavera N Rua Jo\'e3o Ribeiro Guimar\'e3es, 132 Jardim Primavera N Rua Jo\'e3o Ribeiro Guimar\'e3es, 144 Jardim Primavera N Rua Eug\'eanio Ferreira da Cunha, 1106 Jardim Primavera N Rua Paran\'e1, 2609 TELEF Jardim Primavera N417 Figura 05. Parte dos registros do cadastro comercial Com a utilização de planilhas eletrônicas na extensão.xls, foi montada uma rotina de cálculo das demandas, associando-se a cada nó, a média de consumo dos 3 últimos meses corrigida com a perda estimada e ainda a geração automática de arquivo texto (Figura 06), pronta para a importação pelo software EPANET. É importante destacar que a rotina de atualização dessas demandas torna-se bem simples e rápida, bastando ter conhecimentos básicos de planilhas eletrônicas. Nó Vazão Média Demanda Nº de Ligações [DEMANDS] (m³/mês) (L/seg) (L/seg) (lig) ;Junction Demand N ,050 0, N N ,050 0, N N ,039 0,050 9 N N ,044 0,057 7 N N ,050 0, N N ,072 0,092 8 N N ,021 0,026 5 N N ,068 0, N N ,001 0,002 1 N Figura 06. Parte da planilha de cálculo de demanda e do arquivo texto Para a determinação do Padrão de Consumo, foi instalada um medidor de vazão com data logger durante 7 dias na saída do reservatório elevado REL-02 situado no bairro Jardim Gramado, realizando registros de vazão de 10 em 10 minutos, com precisão de ± 3%. Após os cálculos das médias horárias foi possível elaborar o gráfico de consumo, conforme Figura 07. coeficiente PADRÃO DE CONSUMO 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0, horário Figura 07. Padrão de Consumo calculado do Jd. Gramado Na Execução (DO), formulação do modelo hidráulico (Figura 08) foi adotado: período estendido de 72 horas; perdas de carga distribuída calculadas pela fórmula de Hazen-Williams; perdas de carga localizadas não foram consideradas na simulação, pois foram julgadas desprezíveis; consumos-base referentes às médias dos meses de dezembro de 2006, janeiro e fevereiro de 2007; imagem de fundo em escala; padrão de consumo do Jardim Gramado; curvas das bombas, conforme informado pelos fabricantes; 6

7 reservatórios, conforme cadastro; simulação da automatização das bombas através de controlos simples. Figura 08. Parte do modelo hidráulico do SAA - EPANET Na Verificação (CHECK), foi executada a calibração e a validação do modelo utilizando procedimento iterativo baseado em tentativa e erro. As pressões medidas (observadas) são obtidas a partir de relatórios operacionais onde são registradas as pressões de 8 Pontos de Controle de Qualidade PCQ s distribuídos ao longo da rede de distribuição. As leituras de pressão nos 08 PCQ s e os respectivos horários são efetuadas semanalmente, na calibração são usados os valores médios dos últimos 3 meses. Atualmente (28/02/2007) a comparação entre os valores simulados no EPANET e os medidos (observados) apresenta os dados estatísticos constantes do Quadro 03. Quadro 03. Tratamento Estatístico dos Dados de Calibração para Pressão Localização Num. Obs. Méd. Obs. Méd. Sim. Erro Méd. Desv. Pad. N624 (PCQ 01) N459 (PCQ 02) N152 (PCQ 03) N94 (PCQ 04) N120 (PCQ 05) N420 (PCQ 06) N527 (PCQ 07) N366 (PCQ 08) Rede Correlação entre Valores Médios: Na verificação e atuação corretiva (ACTION), desde janeiro de 2006 com a implantação das rotinas de leituras dos PCQ s, há uma procura de melhoria constante do cadastro e por conseqüência nas informações do sistema, realimentando de forma mais confiável o modelo. (Figura 09), completando o ciclo e reiniciando um novo. Figura 09. Esquema geral da rotina de utilização do modelo CONCLUSÕES 7

8 O presente trabalho trata da utilização da modelagem hidráulica como ferramenta de controle operacional de sistemas de abastecimento de água. A metodologia descrita vem sendo utilizada a mais de 1 ano no sistema de distribuição de água da cidade de São Gabriel do Oeste. Como resultado dessa aplicação pode-se fazer as considerações: A distribuição da demanda espacial e temporalmente é de fácil operacionalização apesar de requerer um esforço ao vincular inicialmente as ligações aos nós. Através desta metodologia de atualização rotineira das demandas é possível incorporar espacialmente novos consumidores e identificar alterações de consumo dos mesmos; A utilização de metodologia de calibração iterativa, baseada em tentativa e erro apesar de ser um instrumento simples de validação do modelo, no entanto propicia o desenvolvimento de um profundo conhecimento do sistema por parte do responsável pela operação e ainda a obrigatoriedade da constante atualização cadastral nos aspectos operacionais, físicos e de demandas. A utilização de modelagem na operação, desde que utilize informações atualizadas do sistema, torna-se na prática fonte de consulta como cadastro geral do sistema uma vez que é o único software que engloba informações físicas, operacionais e comerciais (localização e consumos) com um processo de constante validação e ainda de forma dinâmica; A modelagem vem sendo utilizada como ferramenta de aprendizado uma vez que processos de tentativa e erro podem ser explorados gratuitamente, contribuindo para a melhor compreensão do sistema, mas também estimulando a concepção de novas idéias e linhas de ação; Ao longo da implantação e da utilização do modelo foi possível identificar várias inconsistências/problemas: deficiências cadastrais da rede de distribuição, identificação de trechos da rede com velocidades baixas e com ocorrências de deposição de areia, estrangulamento de rede com valores elevados de perda de carga; A modelagem hidráulica do Sistema de São Gabriel vem sendo utilizada satisfatoriamente na simulação da incorporação de novos loteamentos e/ou conjuntos habitacionais. Está sendo utilizada ainda, como base para a elaboração do Plano Diretor do Sistema de Abastecimento de Água e na implantação de setorização de manutenção; Em função da diferença significativa entre a pressão simulada e a observada na última atualização do PCQ 01 (N624), está sendo pesquisada a ocorrência de vazamento não visível e/ou de consumo indevido na região próxima ao nó, estimado por simulação em 2,0 L/s; Pode-se afirmar que o modelo do sistema de São Gabriel do Oeste pode ser utilizado como instrumento de gestão operacional (automação, manobras, identificação de vazamentos e consumos indevidos, planos de contingência). Também pode ser utilizado para simular e analisar os efeitos decorrentes de alterações e/ou ampliações do sistema. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao SAAE de São Gabriel do Oeste e sua equipe pelo apoio logístico no desenvolvimento deste trabalho; à Empresa de Saneamento de Mato Grosso do Sul - SANESUL pela cedência dos equipamentos de medição de vazão e a Quíron Serviços de Engenharia por viabilizar os investimentos necessários para o desenvolvimento deste estudo. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Campos, Vicente Falconi (1994) Controle da Qualidade Total (no estilo japonês), Bloch Editores S.A, Rio de Janeiro (RJ). Rossman, L.A (2000) EPANET 2 User s Manual, National Risk Management Research Laboratory U.S Environmental Protection Agency, Cincinnati (OH). Silva, F.G.B, et al. (2003) Modelo de Calibração de Rede de Distribuição de Água considerando Fugas: Estudo de Caso do setor Real Monte Carlo, XV Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, Curitiba (PR). 8