DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E ARQUITECTURA SANEAMENTO AMBIENTAL I SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA

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1 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E ARQUITECTURA SANEAMENTO AMBIENTAL I SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Castelo Branco Eduardo Ribeiro de Sousa António Jorge Monteiro Lisboa, Março de 2007

2 Constituição dos Sistemas Captação Componentes Órgãos Obras de captação Objectivo / função Captar água bruta nas origens (superficiais e subterrâneas), de acordo com as disponibilidades e as necessidades. Elevação Estações elevatórias e sobrepressoras Bombar água (bruta ou tratada) entre um ponto de cota mais baixa e um ou mais pontos de cota mais elevada. Transporte ou adução Adutores, aquedutos e canais Conjunto de obras destinadas a transportar a água desde a origem à distribuição. O transporte pode ser: em pressão (por gravidade e por bombagem); com superfície livre (aquedutos e canais). Tratamento Estações de tratamento de água (ETA) Produzir a água potável a partir de água bruta, obedecendo às normas de qualidade (Decreto-Lei 243/01, de 1 de Agosto - Anexo VI). Saneamento I [2]

3 Constituição dos Sistemas Componentes Armazenamento Distribuição Órgãos Reservatórios Rede geral pública de distribuição de água Objectivo / função Servir de volante de regularização, compensando as flutuações de consumo face à adução. Constituir reservas de emergência (combate a incêndios ou em casos de interrupção voluntária ou acidental do sistema de montante). Equilibrar as pressões na rede de distribuição. Regularizar o funcionamento das bombagens. Conjunto de tubagens e elementos acessórios, como sejam juntas, válvulas de seccionamento e de descarga, redutores de pressão, ventosas, bocas de rega e lavagem, hidrantes e instrumentação (medição de caudal, por exemplo), destinado a transportar água para distribuição. Ligação domiciliária Distribuição interior Ramais de ligação Redes interiores dos edifícios Asseguram o abastecimento predial de água, desde a rede pública até ao limite da propriedade a servir, em boas condições de caudal e pressão. Conjunto de tubagens e elementos acessórios para distribuição de água no interior dos edifícios. Saneamento I [3]

4 Captação de Águas Subterrâneas Nascente Poço Radial Saneamento I [4]

5 Captação de Águas Subterrâneas Problemas nas zonas costeiras: intrusão salina Saneamento I [5]

6 Captação de Águas Subterrâneas Tomada de água em rio ou albufeira (corte longitudinal) Tomada de água e estação elevatória (planta) Saneamento I [6]

7 Captação de Águas Superficiais Bombas centrífugas de eixo vertical em tomada de água directa Tomadas de água móveis Tomada de água flutuante Saneamento I [7]

8 Captação de Águas Superficiais Captação em albufeira Captação directa no paramento de montante duma barragem de terra Saneamento I [8]

9 Captação de Águas Superficiais Torre de tomada de água em albufeira Saneamento I [9]

10 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Elevação Grupos electrobomba Saneamento I [10]

11 Transporte ou Adução / Escoamentos em Pressão Adução por bombagem com um troço pouco inclinado Adução mista: por gravidade e por bombagem Saneamento I [11]

12 Tratamento Estação de tratamento de água (ETA) Oficinas Edifício de exploração Edifício dos reagentes Mistura rápida Floculadores Saturadores de cal Espessadores Filtros Armazenamento de cloro e CO 2 Desidratação de lamas Saneamento I [12]

13 Armazenamento Câmara de manobras de reservatório com duas células Saneamento I [13]

14 Distribuição Rede de distribuição de água em planta Saneamento I [14]

15 Distribuição interior Rede interior de um edifício sistema tipo de alimentação de água fria Saneamento I [15]

16 Bases Quantitativas de Projectos Objectivo: Avaliação, o mais correcta possível, das quantidades de água para as quais se deve projectar as componentes dos sistemas. Principais elementos: A) Horizonte de Projecto; B) População de Projecto; C) Caudais de Projecto; D) Área de Projecto; E) Hidrologia de Projecto. Saneamento I [16]

17 Bases Quantitativas de Projectos / Horizonte de Projecto Definição: Número de anos durante os quais o sistema ou as estruturas e os equipamentos que o compõem têm que servir em boas condições. Factores: Vida útil das obras de construção civil e equipamento; Facilidade ou dificuldade de ampliação; Previsão da Evolução da População; Taxa de juro durante o período de amortização do Investimento; Funcionamento da Instalação nos primeiros anos de exploração; Capacidade financeira da entidade gestora; Disponibilidade em recursos hídricos. Saneamento I [17]

18 Bases Quantitativas de Projectos / Vida Útil e Horizonte de Projecto Tipo de obra Duração provável (anos) Horizonte de Projecto (anos) Furos e poços 50 a a 30 Tomadas de água 40 a a 40 Saneamento I [18]

19 Bases Quantitativas de Projectos / Vida Útil e Horizonte de Projecto Tipo de obra Duração provável (anos) Horizonte de Projecto (anos) Grandes adutoras 60 a a 50 Reservatórios e torres de pressão 80 a a 40 Saneamento I [19]

20 Bases Quantitativas de Projectos / Vida Útil e Horizonte de Projecto Tipo de obra Duração provável (anos) Horizonte de Projecto (anos) Estações elevatórias (construção civil) 40 a a 40 Grupos electobomba e equipamento electromecânico 25 a a 25 Saneamento I [20]

21 Bases Quantitativas de Projectos / Vida Útil e Horizonte de Projecto Tipo de obra Duração provável (anos) Horizonte de Projecto (anos) Instalações de tratamento (construção civil) 40 a a 40 Instalações de tratamento (equipamento) 20 a a 25 Saneamento I [21]

22 Bases Quantitativas de Projectos / Vida Útil e Horizonte de Projecto Tipo de obra Duração provável (anos) Horizonte de Projecto (anos) Redes de distribuição de água 30 a 40 Máxima expansão urbana Redes de drenagem de águas residuais 30 a 40 Máxima expansão urbana Saneamento I [22]

23 Bases Quantitativas de Projectos / População de Projecto Definição: População a servir no horizonte de projecto. Factores: Métodos de extrapolação ou de regressão; Taxa de crescimento decrescente; a. Linear P 20 = P 0 + K a ( t 20 - t 0 ) Curva logística; b. Geométrica P 20 = P 0 (1+K g )(t 20 - t 0 ) Comparação; Extrapolação Visual; Análise parcelar; Previsão de emprego; Taxa de crescimento decrescente; Planos Directores. Elementos de base: Censos e o recenseamento eleitoral. Problemas: Migrações. Saneamento I [23]

24 Bases Quantitativas de Projectos / Caudais de Projecto Componentes dos consumos: População a servir no horizonte de projecto. Componentes de consumo: Componentes de consumo: População permanente; Indústria; População residente; Actividades agrícolas e pecuárias; População temporária ou flutuante; Combate a incêndios; Entidades públicas; Emergências; Actividades comerciais; Perdas. Capitação: Relação entre o consumo anual total pelo número de habitantes e pelo número de dias do ano [L/(hab.dia)]. A capitação é uma característica média de consumo; Difícil a atribuição de um valor em Projecto. Saneamento I [24]

25 Bases Quantitativas de Projectos / Caudais de Projecto Factores que influenciam a capitação: 1. População Consumos mínimos fixados pelo Regulamento Geral dos Sistemas Públicos e Prediais de Distribuição de Água e de Drenagem de Águas Residuais (RGAAR): 80 L/(hab.dia) 100 L/(hab.dia) 125 L/(hab.dia) 150 L/(hab.dia) 175 L/(hab.dia) até 1000 hab. de 1000 hab. até hab. de hab. até hab. de hab. até hab. acima de hab. 2. Condições climáticas 3. Hábito de higiene individual 4. Existência ou não de redes interiores 5. Tipo de drenagem de águas residuais 6. Estado de conservação do sistema 7. Estrutura tarifária 8. Inclusão ou não de pequenas actividades comerciais, públicas (5 a 20 L/(hab. dia)) ou industriais. 9. Perdas (valor mínimo (RGAAR) 10% do caudal total) Saneamento I [25]

26 Bases Quantitativas de Projectos / Caudais de Projecto Tipo de estabelecimento Adegas Escolas Escritórios Estações de serviço Garagens Lacticínios Lavandarias Matadouro (animais de grande porte) Matadouro (animais de médio porte) Padarias Pensões (sem cozinha, nem lavandaria) Restaurantes Bovinos Caprinos Ovinos Equídios Galinhas Perus Suínos Bovinos (vacas leiteiras) Tipo de animal Consumos 5 L /litro de produto 50 L /(aluno.dia) 50 L /(trabalhador.dia) 150 L /(veículo.dia) 50 L /(veículo.dia) 4-12 L/(kg de produto) 30 L/(kg de roupa) 300 L/(cabeça) 150 L/(cabeça) 0,6 L/(kg de farinha) 120 L/(hóspede.dia) 25 L/refeição Capitação 40 (L/animal/dia) 8 (L/animal/dia) 8 (L/animal/dia) 40 (L/animal/dia) 0,4 (L/animal/dia) 0,75 (L/animal/dia) 10 (L/animal/dia) 75 (L/animal/dia) Saneamento I [26]

27 Bases Quantitativas de Projectos / Caudais de Projecto Caudal médio anual: Produto da população pela capitação: Caudais de ponta: Q m = Capitação x População [L 3 /T -1 ] Definem as características extremas de consumos; Determinam-se multiplicando o caudal médio pelo correspondente factor de ponta: Q p = f p x Q m [L 3 /T -1 ] Usualmente definem-se: Caudal de ponta mensal (caudal médio do mês de maior consumo); Caudal de ponta diário (caudal médio do dia de maior consumo); Caudal de ponta horário (caudal médio da hora de maior consumo). Saneamento I [27]

28 Adução / Escoamentos com Superfície Livre Aspectos de traçado: Problemas topográficos: adaptação do traçado do canal / aqueduto à topografia do terreno. Obstáculos especiais: Travessias de vales pronunciados sifões invertidos Aquedutos Travessias de serras ou montanhas Túneis ou galerias Saneamento I [28]

29 Adução / Escoamentos em Pressão Aspectos de traçado: O estudo duma adutora pressupõe a análise das condições de traçado, em planta e em perfil longitudinal. Condicionantes: Extensão (o mais curta possível e nos grandes diâmetros com grandes raios de curvatura); Pressões de serviço nos troços; Facilidade de construção, reparação e vigilância; Transposição de obstáculos topográficos (linhas de água, vales e linhas de cumeada); Inclinações mínimas nos trechos ascendentes (3 ) e descendentes (5 ); Profundidade mínima de assentamento das tubagens (1 m); Saneamento I [29]

30 Adução / Perfil Longitudinal duma Adutora, em Pressão, por Gravidade Fonte: Water Supply and Waste-Water Disposal Fair et al. Saneamento I [30]

31 Adução / Dimensionamento Hidráulico de Adutoras Duração do transporte: Transporte por bombagem: A não ser em casos especiais, 16 h diárias como período máximo diário de adução (NP 837); A fiabilidade dos sistemas mecânicos permite 20 h/dia, com segurança razoável. Transporte gravítico: Período máximo diário de adução de 24 h/dia. Saneamento I [31]

32 Adução / Dimensionamento Hidráulico de Adutoras Caudais de dimensionamento: Dimensionamento para o dia de maior consumo: Q dim = K t x K p x f D x Q m Dimensionamento para o mês de maior consumo: Q dim = K t x K p x f M x Q m em que: K t factor de duração de transporte = (24 h/nº de horas de transporte); K p factor de perdas na adução (1,05 a 1,10); f M ; f D factor de ponta mensal ou factor de ponta diário; Q m caudal médio anual. Saneamento I [32]

33 Adução / Dimensionamento Hidráulico de Adutoras Limitações à velocidade do escoamento: Razões para a limitação da velocidade máxima: Sobrepressões provocadas pelo regime variável; Perdas de carga excessivas e anti-económicas. Razões para a limitação da velocidade mínima: Qualidade da água nas condutas; Auto-limpeza e deposição de sólidos. Custo de Energia ( ) Velocidade do escoamento: Troços em pressão por bombagem 0,6 m/s V 1,5 m/s Troços em pressão por gravidade 0,3 m/s V 1,5 m/s Saneamento I [33]

34 Adução / Dimensionamento Hidráulico de Adutoras Determinação das pressões de serviço das tubagens: Condutas adutoras gravíticas: Condutas adutoras por bombagem: Altura piezométrica estática Altura piezométrica dinâmica PN 6 E-2 PN 10 PN 16 PN 20 E-3 Saneamento I [34]

35 Tubagens / Policloreto de Vinilo (PVC) Duronil \ Tubagens Características: Tubagem em PVC (policloreto de vinilo) rígida de parede compacta fabricada por extrusão. As tubagens de Duronil são apresentadas nas classes de pressão: PN6 kgf/cm 2 (0,6 MPa); PN10 kgf/cm 2 (1,0 MPa); PN16 kgf/cm 2 (1,6 MPa). Diâmetros exteriores (mm): 63; 75; 90;110; 125; 140; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 630 Saneamento I [35]

36 Tubagens / Polietileno de Alta Densidade (PEAD) PEAD \ Tubagens Características: A tubagem em PEAD de parede compacta é fabricada por extrusão. As tubagens de PEAD são apresentadas nas classes de pressão de: PN4 kgf/cm 2 (0,4 MPa) a PN16 kgf/cm 2 (1,6 MPa) Diâmetros exteriores (mm): 63; 75; 90;110; 125; 140; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 630 Saneamento I [36]

37 Tubagens / Poliester Reforçado com Fibra de Vidro (PRFV) PRFV \ Tubagens Características: As tubagens de PRFV são fabricadas através de um processo de centrifugação automático. A tubagem é formada por diversas camadas, variando as quantidades de matérias primas usadas em cada uma. No fabrico da tubagem entram quatro componentes: Resina de poliester: actua como ligante e é formada por uma resina de poliester não saturada e não dissolvente; Filler (cabornato de sódio): mistura-se com a resina para melhorar a carga estrutural; Areia de sílica: como carga estrutural para melhorar as suas propriedades mecânicas; Fibra de vidro: como reforço da resina de poliester utilizam-se fibras de vidro de alta qualidade. As tubagens de PRFV são apresentadas nas classes de pressão de 0,2 MPa a 2,5 MPa Diâmetros interiores (mm): 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450; 500; 600; 700; 800; 900; 1000; 1100; ; 2400 Saneamento I [37]

38 Tubagens / Ferro Fundido Dúctil (FFD) FFD \ Tubagens Características: As tubagens de ferro fundido dúctil (FF) caracterizam-se por serem tubagens de grande longevidade. Podem ter vários revestimentos interiores. As tubagens de FF são apresentadas nas classes de pressão de: 3,2 MPa a 4,0 MPa Diâmetros interiores (mm): 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450; 500; 600; 700; 800; 900; 1000; FERRO FUNDIDO DÚCTIL Saneamento I [38]

39 Tubagens / Aço Aço \ Tubagens Características: As tubagens de aço podem ser dimensionadas com várias espessuras e são normalmente utilizadas para trechos com elevadas pressões e em trechos em que a tubagem não esteja enterrada. Podem ter vários revestimentos interiores. As tubagens de aço são apresentadas nas classes de pressão de: 3,2 MPa a 4,0 MPa Diâmetros interiores (mm): 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450; 500; 600; 700; 800; 900; 1000; Saneamento I [39]

40 Tubagens / Outros Tipos Outros tipos \ Tubagens Fibrocimento É um material em desuso, mas do qual existem extensões significativas nas redes mais antigas. Classes de pressão: CL6, CL12; CL18; CL24; CL30 Betão armado (pré-esforçado ou com alma de aço) É um material competitivo nos grandes diâmetros com o ferro fundido dúctil. Outras tubagens plásticas: Polipropileno Resiste a altas pressões (20 kgf/cm 2 ) e permite o escoamento e fluidos a altas temperaturas. Saneamento I [40]

41 Adução / Dimensionamento Hidráulico de Adutoras Sobrepressões provocadas pelo regime variável Redução instantâneas de velocidade H ( V0 V = a 1) g com a = ( m s ) D 48,3 + k e a celeridade (m/s) V i velocidade do escoamento (m/s) k constante, que depende do tipo de material da tubagem (aço = 0,50; ferro fundido = 1,0; betão = 5,0; plástico = 18) e espessura da conduta (m) D diâmetro da conduta (m) Saneamento I [41]

42 Paragem de Grupos Electrobomba / Sobrepressões e Subpressões Tempo de anulação do caudal Fórmula de Rosich (1970) com T = C + K LU g.. 0. H t C parâmetro que depende do declive da conduta elevatória: H t /L 20% => C = 1s H t /L > 40% => C = 0s K coeficiente adimensional, dependente do comprimento: L(m) <500 ~ <L<1500 ~1500 >1500 K(-) 2 1,75 1,5 1,25 1,0 L U 0 H t comprimento da conduta velocidade do escoamento altura de elevação Saneamento I [42]

43 Paragem de Grupos Electrobomba / Sobrepressões e Subpressões Subpressão máxima (Michaud) 2L a au. H = g 0 T < T > L a 2LU. H = g. T 2 0 Normalmente, é necessário proceder à protecção da conduta através de órgãos de protecção contra os efeitos do golpe de aríete. Volante de inércia Válvula de escape Reservatório de ar comprimido (RAC) Saneamento I [43]

44 Paragem de Grupos Electrobomba / Sobrepressões e Subpressões Chaminé de equilíbrio Chaminé de equilíbrio Conduta adutora EE de Castelo do Bode Saneamento I [44]

45 Paragem de Grupos electrobomba / Sobrepressões e Subpressões Exemplo: H t = 50 m Fecho instantâneo: au x1,4 H = = = 85m g 9,8 Corte de alimentação de energia ao grupo electrobomba: L = 1000 m V = 1,4 m/s PEAD Tempo de anulação do caudal T = C + K. LU. 1,5 x1000 x1,4 0 = 1+ 5,3s g. H 9,8x50 = t Subpressão máxima 2L 2x1000 T > = = 3, 3s a 600 Logo. LU. H = 2 0 = 54m gt Saneamento I [45]

46 Custos de instalação Tubagem Arranque e reposição de pavimentos; Movimento de terras; Fornecimento, instalação e montagem (incluindo acessórios). Estações elevatórias Construção civil; Equipamento mecânico, eléctrico, electromecânico, automação. Órgãos acessórios Dispositivos redutores de pressão (CPC ou VRP); Ventosas; Descargas de fundo; Válvulas de seccionamento. Reservatórios Custos de exploração e manutenção: Energia; Encargos com pessoal; Manutenção. Adução / Estudo Económico de Sistemas de Adução Saneamento I [46]

47 Adução / Estudo Económico de Sistemas de Adução Sistemas adutores gravíticos L. J ( D ) + L J ( D ) L 1 + L 2 = 2 2 L total = H L ( D ) + L J ( D ) 11. J L 11 + L = L 1 12 = H 1 L ( D ) + L J ( D ) 21. J L 21 + L 22 = 22 L 2 22 = H 2 Saneamento I [47]

48 Adução / Estudo Económico de Sistemas de Adução Sistemas adutores com condutas elevatórias Determinação do diâmetro económico Saneamento I [48]

49 Adução / Estudo Económico de Sistemas de Adução Custos com energia Energia consumida no ano i: E i = γ. Vi. H η t Preço unitário da energia Custo da energia no ano i: γ. V. H η i t CE i = p = K. V i Vi = Popi. Capi. 365dias Volume elevado no ano i: K γ. H = t η p Elevam-se volumes diferentes ao longo do período de projecto; Para calcular o total da energia anual não é necessário conhecer o tempo médio de bombagem em cada ano. Saneamento I [49]

50 Adução / Estudo Económico de Sistemas de Adução Actualização dos encargos com energia Ano : N Valor no ano K.V 1 K.V 2 K.V 3 : K.V N Valor actualizado K. V 1 /(1 + t a ) K + 2. V2 /(1 ta ) K + 3. V3 /(1 ta ) K. V N /(1 + t a ) N = N i 1 K. V Custo total da energia actualizado i N K =. V + i 1 i /(1 t a ) i Saneamento I [50]

51 Adução / Estudo Económico de Sistemas de Adução Actualização dos encargos com energia Hipótese: Os volumes elevados anualmente crescem de acordo com uma lei geométrica. Ano : N Volume elevado no ano V = V0(1 + t 1 g V + : ) 2 2 = V0 ( 1 tg ) V = V0 ( 1 tg ) V ) N = V0 (1 + t g N Custo da energia actualizado K. V 0 (1 + t g ) /(1 + t a ) K V0 (1 + t g ) /(1 ta ) K V0 (1 + t g ) /(1 ta ) K. V 0 (1 + + ) : N t g ) /(1 ta N Custo total da energia actualizada K. V o = K. V o = N i 1 (1 + t g ) (1 + t g ) 1+ t 1 ( ta tg ) 1+ t i /(1 + t g a N a ) i = Saneamento I [51]