Universidade Federal do ABC. Graduação em Engenharia Ambiental e Urbana. Natally Annunciato Siqueira

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1 Universidade Federal do ABC Graduação em Engenharia Ambiental e Urbana Natally Annunciato Siqueira REDUÇÃO DE PERDAS EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA: ESTUDO DE CASO DERIVAÇÃO SACOMÃ Monografia Santo André SP 2014

2 Natally Annunciato Siqueira REDUÇÃO DE PERDAS EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA: ESTUDO DE CASO DERIVAÇÃO SACOMÃ Monografia apresentada ao Curso de Graduação da Universidade Federal do ABC, como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Ambiental e Urbano. Orientador: Profa. Dra. Tatiane Araújo de Jesus Coorientador: Engenheiro Me. Hilton Alexandre de Oliveira Santo André SP 2014 ii

3 Ficha Catalográfica Siqueira, Natally Annunciato. Redução de perdas em sistemas de distribuição de água: Estudo de caso derivação Sacomã / N. A. Siqueira - Santo André, SP: UFABC, p. iii

4 Natally Annunciato Siqueira REDUÇÃO DE PERDAS EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA: Estudo de caso derivação Sacomã Essa monografia foi julgada e aprovada para a obtenção do grau de Engenheiro Ambiental e Urbano no curso de Graduação em Engenharia Ambiental e Urbana da Universidade Federal do ABC. Santo André SP, 22 de janeiro de 2014 Prof. Dr. Ricardo de Souza Moretti Coordenador do Curso BANCA EXAMINADORA Profa. Dra. Tatiane Araújo de Jesus Orientador Eng. Me. Hilton Alexandre de Oliveira Coorientador Prof. Dra. Roseli Frederigi Benassi iv

5 AGRADECIMENTOS À minha família, em especial minha mãe, que me apoiou e me incentivou para conclusão do curso de engenharia ambiental e urbana. À minha orientadora profa. Dra. Tatiane Araújo de Jesus e ao meu coorientador Eng. Me. Hilton Alexandre de Oliveira pela paciência, disponibilidade e contribuições para o meu desenvolvimento e aperfeiçoamento deste trabalho. À Sabesp pela oportunidade de aprendizagem, flexibilidade e valorização ao aperfeiçoamento profissional e aos meus amigos Sabespianos que contribuíram diretamente ou indiretamente nesta conquista. v

6 "Comece fazendo o que é necessário, depois o que é possível, e de repente você estará fazendo o impossível." São Francisco de Assis vi

7 RESUMO O abastecimento de água envolve um série de processos. Desde a captação no manancial até a entrega da água tratada ao consumidor há a ocorrência de perdas de água que precisam ser estudadas e mitigadas. Este trabalho apresenta revisão bibliográfica focando a temática perdas de água em sistemas de abastecimento detalhado pela descrição de sistemas de abastecimento, definição de perdas de água e metodologias para sua avaliação e controle. Também é apresentado um estudo de caso onde se faz uso da modelagem hidráulica visando diagnosticar ações para redução de perdas reais. Os resultados apontam a consolidação no conhecimento da temática perdas de água e a eficácia da modelagem hidráulica na realização de diagnóstico do sistema de abastecimento. Palavras chave: perda de água, abastecimento de água, modelagem hidráulica. vii

8 ABSTRACT The water supply involves a serie of processes. Since its source until delivery treated water to the final consumer the water is being lost implying the necessity to study it and mitigate it. This paper presents a literature review focusing on the theme of water losses in supply systems being detailed by a description of water supply systems, definition of water losses and methodologies for its evaluation and management. A study developed through use of hydraulic modeling aimed to diagnose actions to reduce real losses is also presented. The results point to consolidation in the knowledge of water losses thematic and the improvement in diagnosis through hydraulic modeling. Keywords: water loss, water supply, water modeling. viii

9 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Mananciais superficiais da RMSP, Alto Cotia à esquerda e Guarapiranga à direita. Fonte: SABESP, Figura 2 - Esquemático de sistema de abastecimento de água com zona baixa e zona alta. Fonte: TSUTIYA, Figura 3 - Tipos de vazamentos. (A) vazamento não visível inerente, (B) vazamento não visível detectável, e (C) vazamento visível. Fonte: MELATO, Figura 4 - Relação entre o tipo de vazamento e volume de água perdida onde C é o conhecimento, L a localização e R o reparo do vazamento. Fonte: FARLEY, Figura 5 - Componentes do balanço hídrico. Fonte: IWA,2000 apud RAMOS, Figura 6 - Componentes do balanço hídrico e pontos de controle de vazão. Fonte: ALEGRE et al, Figura 7 - Componentes para gestão de perdas reais. Fonte: MELATO, 2010 apud THORNTON, Figura 8 Equipamentos de detcção acústica. (A) Haste de Escuta, (B) Geofone, (C) Correlacionador de ruído. FONTE: EPA, Figura 9 - Componentes do Controle e Redução de Perdas Aparentes Figura 10 - Esquemático de tarefas do processo de modelagem. FONTE: PALO, 2010 apud WALSKI et al, Figura 11 - Elementos comuns da modelagem Figura 12 - Alterações na superfície interna do tubo. Fonte: AZEVEDO NETO, Figura 13 - Localização do Setor de Abastecimento Derivação Sacomã na RMSP. FONTE: SABESP, Figura 14 - Variação altimétrica do setor Derivação Sacomã. FONTE: SABESP, Figura 15 - Áreas cobertas por VRP. FONTE: SABESP, Figura 16 - Categorias de uso de água na Derivação Sacomã. FONTE: SABESP, Figura 17 - Idade da tubulação em faixas, valores expressos em porcentagem da extensão total. FONTE: SABESP, Figura 18 - Distribuição da idade de rede. FONTE: SABESP, Figura 19 - Fotografia aérea do setor. FONTE: SABESP, Figura 20 - Agrupamento de ligações ao nó mais próximo. FONTE: BENTLEY, Figura 21- Variação horária da demanda Geral do Setor: vazão média e curva neutra ix

10 Figura 22- Variação horária da demanda VRP Mário Navarro: vazão média e curva neutra Figura 23- Variação horária da demanda VRP Anny: vazão média e curva neutra Figura 24- Variação horária da demanda VRP Mário Navarro: vazão média e curva neutra Figura 25 - Curva neutra de pressão na entrada do sistema Figura 26 - Topologia do modelo do Setor Deriv. Sacomã no WaterGEMS Figura 27 - Localização dos pontos de coleta de dados de pressão e vazão Figura 28 - Resultado da calibração do ponto 2 - R. Cavalheiro Frontini Figura 29 Área crítica do Setor de Abastecimento Derivação Sacomã. Modelo às 12 horas Figura 30 - Situação da variação de pressão modelada às 0h (esquerda) e às 3h (direita). 57 Figura 31 - Situação da variação de pressão modelada às 6h (esquerda) e às 9h (direita). 58 Figura 32 - Situação da variação de pressão modelada às 12h (esquerda) e às 15h (direita) Figura 33 - Situação da variação de pressão modelada às 18h (esquerda) e às 21h (direita) Figura 34 - Situação da variação da perda de carga modelada às 12h Figura 35 Ajuste das pressões da VRP Estrada das Lágrimas Figura 36 Ilustração da localização e cota altimétrica entre a VRP Mário Navarro da Costa e seu ponto crítico Figura 37 Proposta de alteração do limite da área coberta pela VRP Mário Navarro da Costa x

11 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Resumo dos tipos de vazamentos e suas características Tabela 2 - Matriz alvo para redução de perdas Tabela 3 - Tipos de pesquisa de vazamentos não visíveis Tabela 4 - Estimativa da redução de perdas em função da redução da pressão Tabela 5 - Elementos comuns da modelagem Tabela 6 Exemplo de cálculo da curva neutra demanda geral do setor Tabela 7 Pressões médias de jusante das VRPs Tabela 8 - Pontos de coleta de dados de pressão e vazão Tabela 9 - Associação dos pontos de coleta aos tubos e nós do modelo Tabela 10 Diferença média horária entre o simulado e o observado para o gradiente hidráulico e vazão Tabela 11 Estimativa do volume recuperado após ajuste de regulagem das VRPs Tabela 12 Extensão, material e diâmetro das tubulações com idade elevada Tabela 13 Tabulação das curvas neutras de demanda Tabela 14 Tabulação das Curvas Neutras de Operação das VRPs xi

12 LISTA DE ABREVIATURAS ANA - Agência Nacional de Água DN - Diâmetro Nominal FP - Fator de Pesquisa ILI - Infraestructure Leakege Index IWA - International Water Association VRP - Válvula Redutora de Pressão RMSP - Região Metropolitana de São Paulo xii

13 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO OBJETIVO METODOLOGIA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Sistemas de Abastecimento de Água Perdas de Água Perdas Reais Perdas Aparentes Avaliação das Perdas de Água Balanço Hídrico Método da Vazão Mínima Noturna Combinação dos Métodos Indicadores de Performance Indicador Percentual Índice de Perdas por Ramal Índice de Perdas por Extensão de Redes Índice Infraestrutural de Perdas Unidades de Controle e Redução de Perdas Setor de Abastecimento Distrito Pitométrico Controle de Perdas Reais Controle Ativo dos Vazamentos Reparo de Vazamentos e Melhoria da Condição da Infraestrutura Controle da Pressão Qualificação da mão de obra Controle das Perdas Aparentes Implantação e manutenção do sistema de macromedição Redução da imprecisão dos medidores Combate às fraudes Melhorias no sistema comercial Qualificação da mão de obra Simulação de sistemas de distribuição de água Processo de modelagem Representação do modelo xiii

14 Calibração ESTUDO DE CASO Localização Sistema de Abastecimento Existente Uso e Ocupação do Solo Simulação Hidráulica Materiais Metodologia para a Construção do Modelo Calibração do Modelo Análise do Modelo Combate às perdas CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO I DADOS TABULARES DAS CURVAS NEUTRAS DE DEMANDA ANEXO II CURVAS NEUTRAS DE OPERÇÃO DAS VRPS xiv

15 1. INTRODUÇÃO A explosão demográfica nos centros urbanos mundiais foi possível devido à disponibilidade de recursos essenciais como alimento, água potável e saneamento básico. No entanto, reconhece-se que os recursos necessários a uma boa qualidade de vida, ao menos da forma que vêm sendo explorados, não serão suficientes para manter esta taxa de crescimento populacional (THORNTON, 2004). Estima-se que metade da população humana viva em cidades e dentro de duas décadas, aproximadamente sessenta por cento das pessoas farão parte da população urbana (ONU, 2012). A escassez de recursos naturais, poluição das águas superficiais e subterrâneas, falta de acesso à água potável e às condições básicas sanitárias, e a disputa pelo domínio e utilização de fontes de água são exemplos de situações que ocorrem em muitos lugares do mundo onde a urbanização ocorreu de forma desordenada (CASTELLANO, 2006). Muitas destas características são encontradas na Região Metropolitana de São Paulo (RMSP). Contendo um total de 39 municípios e aproximadamente 20 milhões de habitantes, a RMSP é uma das maiores aglomerações urbanas do mundo. O município mais populoso do país também se encontra inserido nesta região: a cidade de São Paulo possui aproximadamente 11,25 milhões de habitantes e densidade demográfica de 7.387,69 habitantes por quilômetro quadrado (IBGE, 2012). Para suprir o abastecimento público do município de São Paulo, é necessário atender a vazões médias de consumo de água na ordem de 45 L/s. A captação ocorre primordialmente pelos sistemas Cantareira, Guarapiranga, Alto Tietê e Rio Claro, onde a necessidade de importação de água de outros mananciais já é decorrente, haja vista a baixa disponibilidade hídrica da região. Não obstante, estudos da Agência Nacional de Água (ANA) indicam que em 2015 será necessário um novo manancial para suprir o abastecimento público de São Paulo (ANA, 2012). No tocante à qualidade hídrica, as ocupações irregulares, principalmente no entorno dos mananciais, associadas à falta de serviços de esgotamento sanitário contribuem significativamente para a poluição dos corpos d água. Frente à essa situação, é importante elaborar estratégias que mitiguem a problemática no abastecimento público. 1

16 Considerando que no processo de abastecimento de água, desde a captação no manancial até a entrega da água tratada ao consumidor final há a ocorrência de perdas de água tratada e a sua redução é uma importante alternativa a ser estudada. Em grande parte elas são causadas por deficiências da operação e manutenção das tubulações e da inadequada gestão comercial das companhias de saneamento (TARDELLI FILHO, 2004). Estima-se que, no Brasil, as perdas de água tratada nos sistemas de abastecimento público alcancem 37,1% (SNIS, 2009). Tais perdas ocorrem fundamentalmente em duas formas: perdas reais e perdas aparentes. As perdas reais ocorrem através de vazamentos nas tubulações, extravasamento de reservatórios e descargas inapropriadas na rede dos sistemas de distribuição. Já as perdas aparentes caracterizam-se pela água que chega ao consumidor ou usuário final, incluindo água de uso social e o consumo sem autorização, mas que não é propriamente medida e faturada (THORNTON, 2004). Para combatê-las, são necessárias ações com um alto custo em sua execução tais como a revitalização da infraestrutura de abastecimento, a instalação de válvulas redutoras de pressão e detecção e consertos de vazamentos. Para tanto, é imprescindível que haja uma definição acertada das áreas onde a aplicação de ações de combate às perdas trará bons resultados que justifiquem e viabilizem o investimento para a redução de volumes perdidos (PALO, 2010). Visando direcionar ações de tomada de decisão, os modelos matemáticos de simulação hidráulica representam ou interpretam a realidade de forma simplificada. Eles podem ser utilizados de forma a estudar o comportamento hidráulico nos mais diversos cenários, e para analisar situações nas quais é possível testar ou medir as diversas soluções possíveis, evitando gastos maiores na criação de modelos experimentais ou a aplicação de profissionais para teste em campo (PALO, 2010). 2

17 2. OBJETIVO Revisão bibliográfica visando identificar metodologias para redução de perdas de água em sistemas públicos de distribuição de água. Elaboração de modelo de simulação hidráulica objetivando diagnosticar alternativas para redução de perdas reais no setor de abastecimento Derivação Sacomã, situado no município de São Paulo. 3

18 3. METODOLOGIA O presente trabalho foi elaborado a partir da revisão bibliográfica abordando fundamentalmente os temas: abastecimento de água, perdas decorrentes do sistema de distribuição de água, metodologias para redução de perdas e modelação hidráulica. Como exercício de estudo de caso foi realizado um modelo hidráulico de forma a identificar os principais aspectos para sua otimização com foco em redução de perdas reais de água tratada. O desenvolvimento do modelo realizou-se através da coleta de dados do setor de abastecimento, montagem do modelo e calibração, ajuste dos dados de forma a aproximar o modelo com a realidade, realizada através da medição in situ de dados de pressão e vazão em pontos pré definidos. O detalhamento da metodologia adota será abordado em capítulo específico. Com o diagnóstico do setor obtido através do modelo hidráulico foram propostas alternativas para redução de perdas no sistema de abastecimento de água em áreas onde é esperado um retorno mais eficaz. 4

19 4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Este capítulo apresenta a fundamentação teórica referente ao estudo, abarcando os conceitos de sistemas de abastecimento de água, perdas de água, metodologias para redução de perdas e modelação hidráulica Sistemas de Abastecimento de Água Sistemas de abastecimento de água urbanos são designados para satisfazer as necessidades de usos de água doméstico, comercial, industrial e combate a incêndio. Estes devem ser capazes de atender a demanda de consumo de água a pressões adequadas mantendo qualidade e regularidade de forma acessível às populações (VIESMANN, 2009; HELLER e PÁDUA, 2010). Seus principais componentes são os mananciais, unidades de captação, adutoras, estação de tratamento, estação elevatória, reservatórios, rede de distribuição e ligações prediais, detalhados a seguir: a) Manancial É a fonte de água bruta superficial ou subterrânea, com qualidade e vazão suficiente, destinada ao abastecimento público. As águas superficiais são distribuídas pela superfície terrestre e compreendem rios, lagos e córregos. O volume dessas águas depende da geografia, morfologia, variações climáticas e do impacto das atividades humanas (VIESMANN, 2009). Na Figura 1, encontram-se imagens de dois mananciais da RMSP: Alto Cotia e Guarapiranga. Figura 1 - Mananciais superficiais da RMSP, Alto Cotia à esquerda e Guarapiranga à direita. Fonte: SABESP,

20 As fontes de água subterrânea referem-se às águas do subsolo que se encontram abaixo do lençol freático, em solos e formações geológicas completamente saturadas (FREEZE E CHERRY, 1979 apud HELLER e PÁDUA, 2010). Os mananciais subterrâneos são primordialmente recarregados pela parcela de chuva que se infiltra no subsolo e percola as camadas mais profundas. Essas recargas são ocasionalmente aumentadas por lagos e cursos d água influentes, cujos níveis são superiores à superfície do lençol freático. Outras contribuições, denominadas de recargas artificiais, ocorrem em função do excesso de irrigação, de vazamentos em canais e adutoras e do uso de poços de recarga alimentados com excedentes de água de enchentes ou de estações de tratamento de esgoto ou água (HELLER e PÁDUA, 2010). b) Unidade de Captação Conjunto de estruturas destinadas à retirada de água dos mananciais possibilitando o transporte de água para as demais etapas do sistema de abastecimento. c) Adutoras Canalizações que se destinam a conduzir água entre as unidades que precedem a rede de distribuição. Elas interligam captação, estação de tratamento e reservatórios. Não distribuem água aos consumidores, mas permitem derivações que são as subadutoras (TSUTIYA, 2004). d) Estação de Tratamento As estações de tratamento são responsáveis pelo tratamento da água bruta através de processos físicos, químicos ou combinação destes visando atender aos padrões de potabilidade da portaria MS nº 2.914/2011. e) Estação Elevatória Conjunto de obras e equipamentos destinados a transferir água para a unidade seguinte através de meio mecânico. Em sistemas de abastecimento de água podem haver várias estações elevatórias, tanto para o recalque de água bruta, como para o recalque de água tratada. Também é comum a estação elevatória tipo booster, que se destina a aumentar a pressão e/ou vazão em adutoras ou redes de distribuição de água (TSUTIYA, 2004). 6

21 f) Reservatórios A principal função dos reservatórios é realizar a compensação entre a vazão de produção, proveniente da captação-adução-tratamento que em geral é fixa e tem poucas variações das vazões de consumo, variáveis ao longo das horas do dia e ao longo dos dias do ano (HELLER e PÁDUA, 2010). Os tipos de reservatórios dependem da sua posição em relação ao terreno classificandose em enterrado, semienterrado, apoiado e elevado. g) Rede de Distribuição A rede de distribuição de água é constituída por um conjunto de condutos assentados nas vias públicas, juntos aos edifícios, com a função de conduzir água para os prédios e os pontos de consumo público. Esses condutos caracterizam-se pelas numerosas derivações e uma disposição que foram assentados (CETESB, 1975). Na rede de distribuição distinguem-se dois tipos de condutos: condutos principais e condutos secundários. Os condutos principais, também chamados condutos tronco ou condutos mestres, são tubulações de maior diâmetro, responsáveis pela alimentação dos condutos secundários. A eles interessa, portanto, o abastecimento de extensas áreas da cidade (CETESB, 1975). Os condutos secundários, de menor diâmetro, são os que estão imediatamente em contato com os prédios a abastecer e cuja alimentação depende diretamente deles. A área servida por um conduto deste tipo é restrita e está nas suas vizinhanças (CETESB, 1975). h) Ligações Prediais É o conjunto de tubulações e peças especiais, situado entre a rede de distribuição de água e o cavalete, este incluído (BRASIL, 2011). A Figura 2 apresenta o esquemático de um sistema de abastecimento de água que opera com zona alta e zona baixa. 7

22 Figura 2 - Esquemático de sistema de abastecimento de água com zona baixa e zona alta. Fonte: TSUTIYA, Perdas de Água Em geral, as perdas de água em sistemas de abastecimento público são determinadas pela diferença entre o volume de água que entra no sistema e o volume, medido ou não medido, de consumo autorizado pela companhia de saneamento (PROWAT, 2008). Ocorrem em todas as fases do processo: captação e adução de água bruta, no tratamento, na adução e reservação de água tratada, distribuição e ramais prediais (TARDELLI FILHO, 2004). Dada a complexidade proveniente das etapas do abastecimento, uma vez que possuem extensa distribuição, múltiplos caminhos percorridos pela água e vazões que variam temporalmente e espacialmente, a existência de perdas de água é inevitável. O que distingue entre os sistemas é o volume perdido indicando o grau de ineficiência e desempenho operacional (THORNTON, 2004; PROWAT, 2008; CHEUNG, 2007). Para entender os motivos de como e onde a água está sendo perdida, as empresas de saneamento devem realizar uma avaliação das características físicas da rede e da prática operacional. Em muitos casos, o problema da perda de água é causado por infraestrutura deficiente, gestão ineficiente, características da rede, práticas operacionais, tecnologias, habilidades e influências sociais e culturais (THORNTON, 2004). Esta problemática não possui a mesma magnitude no mundo. Em países em desenvolvimento, estima-se que a percentagem do volume perdido alcance 35%, enquanto 8

23 que nos países desenvolvidos o valor aproxima-se de 15% (KINGDON et al, 2006 apud GONZÁLEZ-GÓMEZ et al, 2012). No Brasil, a média nacional do índice de perdas dos prestadores de serviços alcançou no ano de 2009 valores de 37,1%, com médias regionais variando de 51,8% na região norte a 23,2% na região sul do país. Entretanto, os Estados do Acre e Roraima apresentam valores superiores a 70% (SNIS, 2009). Comparando com países europeus, o mesmo índice atingiu a marca de 6,5% na Alemanha, 7% na Holanda, 11% na Áustria, 16,7% na Espanha, 20,9% na França, 24,6% na Polônia e 40% em Portugal (BDEW, 2007; RAMOS, 2007; INE, 2012). As perdas de água são usualmente divididas em duas componentes principais: Perdas reais (ou físicas) - aplicam-se ao volume de água produzido e que não chega ao consumidor final, devido a vazamentos em adutoras, redes de distribuição e reservatórios (TARDELLI FILHO, 2004). As perdas aparentes correspondem ao volume de água consumido, mas não contabilizado pela companhia de saneamento, decorrente de erros de medição nos hidrômetros e nos demais tipos de medidores, fraudes, ligações clandestinas e falhas no cadastro comercial. Neste caso, a água é efetivamente consumida, mas não é faturada (TARDELLI FILHO, 2004). Os impactos associados às perdas de água são numerosos. Elevadas perdas reais, implicam em maiores volumes na captação, tratamento e transporte, sendo que o volume de água total disponibilizado é superior à demanda dos consumidores e consequentemente um consumo de energia adicional é necessário. Opostamente, as perdas aparentes não implicam em impactos físicos como as reais, em vez disso, elas exercem um efeito financeiro aos fornecedores e clientes (THORNTON, 2004) Perdas Reais Discorrendo sobre as causas das perdas reais, RAMOS (2007) afirma que estas resultam do envelhecimento natural das infraestruturas de abastecimento, da forma como o sistema foi projetado, construído e operado durante sua vida útil, de pressões de serviço, dos transientes hidráulicos, das características do solo envolvente, da frequência de passagem de cargas pesadas, de obras em outras infraestruturas adjacentes, da densidade e comprimento de ramais, da inexistência de programas ativos de perdas e da falta de políticas de reabilitação das infraestruturas. 9

24 O gerador mais comum relacionado às perdas reais em sistemas de distribuição são os vazamentos. São representados por toda a água perdida continuamente devido à presença de danos estruturais nos tubos ou à falta de estanqueidade nas juntas, válvulas e outros assessórios das infraestruturas e que nunca é utilizada pelos consumidores. Em alguns casos as vazões associadas aos vazamentos são reduzidas e dificilmente detectáveis, no entanto, os vazamentos tendem a agravar ao longo do tempo e a vazão perdida torna-se bastante significativa. Para muitos sistemas, os vazamentos em ramais representam o componente do sistema com o maior número de vazamentos encontrados (THORNTON, 2004; RAMOS et al, 2007). Pela forma como são identificados, os vazamentos podem ser classificados em visíveis, não visíveis detectáveis e não visíveis e não detectáveis. Os gestores precisam estar cientes de que a maioria dos vazamentos estão nos ramais de ligações, e que a ausência de um programa ativo para detectar vazamentos não visíveis é uma indicação de níveis elevados de perdas (FARLEY, 2008). Os vazamentos caracterizados por acidentes súbitos em tubos e acessórios, também denominados por rupturas ou arrebentados, são provocados por sobrepressões ou sobrecargas excessivas, defeitos estruturais, assentamentos diferenciais ou por situações extremas de funcionamento. Normalmente suas vazões associadas são elevadas e manifestamse imediatamente após a ocorrência, com localização facilmente detectada pela perturbação que provocam no meio ambiente, sendo rapidamente reparadas (RAMOS et al, 2007). A Tabela 1 apresenta o resumo geral dos tipos de vazamentos e suas características, ilustrados pela Figura 3. Tipo de Vazamento Tabela 1 - Resumo dos tipos de vazamentos e suas características. Características Visível Não visível (detectável) Aflorantes, altas vazões e curta duração. Detectável, vazões moderadas, duração dependente da pesquisa de vazamentos. Não Visível (Inerente) Não detectável, baixas vazões e curta duração. FONTE: LAMBERT, 2000 apud TARDELLI FILHO,

25 Figura 3 - Tipos de vazamentos. (A) vazamento não visível inerente, (B) vazamento não visível detectável, e (C) vazamento visível. Fonte: MELATO, De acordo com TARDELLI FILHO (2004), nas tubulações de distribuição de água a duração média do vazamento é o resultado da soma de três fases sequenciais: Conhecimento: tempo médio entre o início do vazamento até o momento em que a companhia de saneamento passa a saber da sua existência; Localização: tempo médio entre o instante em que se toma conhecimento do vazamento até o momento em que se localiza exatamente o ponto da ocorrência; e Reparo: tempo médio entre a localização do vazamento e o instante em que a fuga é reparada. A Figura 4 mostra a relação entre o tipo de vazamento e o volume de água perdida. No primeiro caso, o vazamento visível apresenta o tempo de localização nulo, já que sua existência implica a noção de localização do mesmo. No segundo caso, há um determinado tempo para a localização do vazamento e reparo. Por fim, o vazamento inerente apresenta um tempo de reparo muito elevado, considerando a dificuldade na detecção. Essa mesma ordem, representa o volume perdido em ordem crescente. 11

26 1 dia Vazamento visível m³/dia m³/dia C 14 dias L R em tubos 75 m³ Vazamento não visível em ramais 350 m³ Vazamento inerente em ramais m³/dia C 365 dias L R >9.000 m³ Figura 4 - Relação entre o tipo de vazamento e volume de água perdida onde C é o conhecimento, L a localização e R o reparo do vazamento. Fonte: FARLEY, Considerando o impacto dos vazamentos, a melhoria da eficiência dos níveis de distribuição de água fica limitada pelos altos custos de reparo no sistema (GONZÁLEZ- GÓMEZ et al, 2012). A dificuldade de investimentos acelera os processos de deterioração e provoca mudança nas condições físicas dos elementos (tubulações, acessórios e componentes hidráulicos) que compõem as redes de distribuição, as quais comprometem o comportamento operacional e econômico destes sistemas. A deterioração provoca perda da capacidade de transporte nas tubulações e consequente aumento dos custos de energia elétrica, de operação e de manutenção, alteração da qualidade da água fornecida, aumento dos rompimentos de tubulações e outros fatores (CHEUNG et al, 2007) Perdas Aparentes Atribui-se como causa das perdas aparentes os erros de medição (nos hidrômetros ou medidores de vazão), dimensionamento inadequado do medidor, falta de leituras por dificuldade de acesso aos hidrômetros, detritos na rede de distribuição, ligações ilícitas, uso fraudulento de hidrantes de incêndio e falhas no cadastro comercial (RAMOS et al, 2007; MELATO, 2010). 12

27 4.3. Avaliação das Perdas de Água A quantificação das perdas de água é uma apuração relativamente fácil de ser feita, pois é obtida pela diferença entre o volume disponibilizado ao sistema e os volumes autorizados. Entretanto o rateio entre as perdas reais e aparentes é mais complexo, e exige a adoção de diversas hipóteses ou a realização de vários ensaios em campo (TARDELLI FILHO, 2004). O ponto inicial é fazer uma avaliação de como, onde e o motivo pelo qual a água está sendo perdida no sistema. A quantidade de água perdida pode ser determinada pela elaboração de uma auditoria de água e seu processo contém dois elementos: Análise ou avaliação das práticas operacionais do sistema e; A quantificação do volume de água que está a ser perdida no sistema (PROWAT, 2008). Os métodos que quantificam as perdas no sistema são: Elaboração do balanço hídrico; Análise da vazão mínima noturna e; Combinação dos métodos Balanço Hídrico O balanço hídrico representa a quantificação de todos os possíveis usos da água em um sistema de abastecimento, desde o instante em que é captada no manancial até o momento em que é disponibilizada ao consumidor final (TARDELLI FILHO, 2004). Em sua elaboração, são feitas hipóteses para determinar as perdas aparentes e, pela diferença, chegam-se às perdas reais (MELATO, 2010). Sua elaboração é o primeiro passo para estabelecer um efetivo programa de gestão de perdas de água possibilitando entendimento quantificado da integridade do sistema de distribuição, fornecendo a base para a formulação de um plano economicamente viável para enfrentar as perdas (EPA, 2010). Com o intuito de uniformizar uma estruturação básica a nível mundial para o balanço hídrico, a International Water Association (IWA) propôs uma matriz onde são apresentadas as variáveis mais importantes para a composição e os fluxos da água, a qual é apresentada na Figura 5 (TARDELLI FILHO, 2004). O cálculo do balanço hídrico requer medições criteriosas em cada ponto de controle definido no sistema. O período de avaliação das grandezas envolvidas no balanço hídrico 13

28 geralmente é de 12 meses, o que faz com que os valores apresentados representem uma média anualizada dos componentes, absorvendo as sazonalidades (TARDELLI FILHO, 2004). Figura 5 - Componentes do balanço hídrico. Fonte: IWA,2000 apud RAMOS, A definição dos componentes do balanço hídrico segundo TARDELLI FILHO (2004) e PROWAT (2008) são: Água que entra no sistema: é o volume anual de água que entra no sistema de abastecimento, e será o objeto de estudo do balanço hídrico; Consumo autorizado: é o volume anual de água medido e/ou não medido utilizado pelos clientes autorizados, pela própria empresa de saneamento e aqueles que estão implicitamente ou explicitamente autorizados a fazê-lo, para uso doméstico, comercial ou industrial; Perdas de água: é a diferença entre o volume que entra no sistema e o consumo autorizado. As perdas podem ser consideradas como o volume total do sistema completo ou parte dele, como na distribuição ou zonas pré-determinadas; Perdas reais: consistem nas perdas físicas em todo o sistema até o ponto da ligação predial. É o volume anual perdido através de vazamentos nas tubulações e extravasamento em reservatórios que depende da frequência, vazões, e duração média; Perdas aparentes: compreende o volume consumido porém não contabilizado, associado a todos os tipos de imprecisões nas medições dos volumes na produção e 14

29 nos consumidores, bem como erros de manipulação (leitura no hidrômetro e faturamento), além de consumo não autorizado (roubo ou uso ilegal); Águas não faturadas: é a diferença entre o volume anualizado de entrada no sistema e o consumo autorizado faturado. Corresponde ao consumo autorizado não faturado as perdas reais e aparentes; Águas faturadas: representam a parcela da água comercializada traduzida no faturamento do fornecimento de água ao consumidor. A Figura 6 ilustra as principais entradas e saídas de água num sistema típico de abastecimento, por ordem sequencial, desde a captação da água bruta até ao consumo de água pelos clientes. Alguns sistemas serão certamente mais simples, não tendo todas as componentes representadas (ALEGRE et al, 2000). Com a finalidade de calcular o balanço hídrico, as etapas deste processo precisam ser medidas ou estimadas, sendo necessário estimar a exatidão de cada um desses componentes (PROWAT, 2008). Figura 6 - Componentes do balanço hídrico e pontos de controle de vazão. Fonte: ALEGRE et al,

30 Dessa forma, os passos para o cálculo de um balanço hídrico são apresentados a seguir: Passo 1 - determinar o volume de que entra no sistema, identificando todas as fontes e quantidades de água. Passo 2 - determinar o consumo autorizado faturado através da análise de registros de faturamento e da identificação dos consumos faturados medidos e não medidos. O total também será considerado como o valor das águas faturadas. Passo 3 - calcular o volume de água não faturada através da subtração da água de entrada (ou água que entrou) no sistema e a água faturada. Passo 4 - Definir o consumo não faturado medido e o consumo não faturado não medido e registrar o total em consumo autorizado não faturado. Passo 5 - Somar os volumes correspondentes ao consumo autorizado faturado e ao consumo autorizado não faturado, introduzir o resultado como consumo autorizado. Passo 6 - Calcular as perdas de água como a diferença entre a água entrada no sistema e o consumo autorizado. Passo 7 - Estimar as perdas aparentes avaliando da melhor forma possível o nível de submedição e as estimativas de ligações ilegais e roubo. Passo 8 - Calcular as perdas reais subtraindo as perdas aparentes às perdas reais. Passo 9 - Avaliar as parcelas das perdas reais usando os melhores métodos disponíveis (análise de vazões noturnas, cálculos de frequência/vazão/duração dos vazamentos, modelação, etc.), somá-las e comparar com o resultado das perdas reais (ALEGRE et al 2000; PROWAT, 2008) Método da Vazão Mínima Noturna A base deste método é a variação dos consumos no sistema de abastecimento de água ao longo do dia. O pico de consumo geralmente se dá entre 11h e 14h, e o consumo mínimo normalmente se dá entre 3h e 4h. A vazão correspondente a esse consumo mínimo é denominada "Vazão Mínima Noturna", que pode ser medida através do uso de equipamentos de medição de vazão e pressão, desde que adotados procedimentos adequados de fechamento dos registros limítrofes do subsetor de análise (TARDELLI FILHO, 2004). Como este método avalia as vazões do sistema quando o consumo é mínimo, consequentemente as pressões são maiores, implicando nas maiores vazões de vazamentos (PROWAT, 2008). 16

31 A medição da vazão noturna é recomendada para avaliação das perdas reais em sistemas de médio e grande porte, como também em sistemas de pequeno porte (aqueles com menos de cerca de ligações prediais) e particularmente para zonas e sistemas com grande número de imóveis residenciais sem medidores de vazão (LAMBERT, 2000). Para avaliar possíveis problemas operacionais no abastecimento de água através da Vazão Mínima Noturna, foi elaborado o Fator de Pesquisa (FP) que é dado pela Equação (01) segundo LAMBERT (2000): Fator de Pesquisa = ã í ã é á (Equação 1) Quanto mais o FP tende a 1, maior a possibilidade da ocorrência de vazamentos. Em geral, se o FP for maior que 0,3, o setor em estudo contém vazamentos economicamente detectáveis (GONÇALVES et al, 2007). Este fator não é indicado para sistemas com intermitência no abastecimento Combinação dos Métodos A combinação dos dois métodos, Balanço Hídrico e Vazão Mínima Noturna, pode ser uma forma interessante de ajustar as variáveis e hipóteses assumidas, de forma a buscar resultados mais confiáveis na determinação dos volumes de Perdas Reais (TARDELLI FILHO, 2004) Indicadores de Performance Os indicadores de performance são obtidos pela introdução de parâmetros relevantes do sistema de forma a facilitar comparações entre sistemas de diferentes tamanhos e características, permitindo retratar a situação das perdas, gerenciar a evolução dos volumes perdidos e redirecionar ações de controle (LAMBERT, 2000; TARDELLI FILHO, 2004). TARDELLI FILHO (2004) afirma que a correta aplicação e interpretação de qualquer tipo de indicador de perdas pressupõe: Entendimento universal das parcelas que compõem as perdas; Medições sistematizadas ou critérios claros para a estimativa de volumes não medidos 17

32 Os quatro principais indicadores propostos pela IWA são: o indicador percentual, o índice de perdas por ramal, índice de perdas por extensão de redes e índice infra estrutural de perdas Indicador Percentual Relaciona o volume total perdido (soma das perdas reais e aparentes) com o volume total produzido ou disponibilizado ao sistema em bases anuais (TARDELLI FILHO, 2004). É um indicador da ineficiência na utilização dos recursos hídricos (ALEGRE et al, 2000). O cálculo do indicador percentual, de acordo com TARDELLI FILHO ( 2004), pode ser efetuado pela Equação(02). Indicador de Percentual = X 100 (%) (Equação 2) A força tarefa da IWA, a qual tem sido considerada a melhor prática internacional sobre perdas de água, sugere que há indicadores de performance mais confiáveis e significativos que os percentuais. Este indicador não distingue perdas reais de perdas aparentes e é fortemente influenciado pelo consumo, sendo difícil o cálculo para abastecimentos sujeitos à intermitência. Outro problema é que o indicador percentual dificulta a comparação de performance entre sistemas diferentes já que o mesmo volume perdido pode gerar percentuais distintos (THORNTON, 2004; PROWAT, 2008) Índice de Perdas por Ramal O indicador relaciona o volume perdido total anual com o número médio de ramais existente na rede de distribuição de água, introduzindo um fator de escala para melhor comparar sistemas de diferentes tamanhos (TARDELLI FILHO, 2004). Como tende a dar valores muito elevados em áreas com baixa ocupação urbana, recomenda-se seu uso nos casos em que a densidade de ramais for superior a 20 ramais/km, valor que ocorre praticamente em todas as áreas urbanas. Este indicador pode ser apresentado separadamente para as perdas reais e perdas aparentes, calculado através da Equação (03) (TARDELLI FILHO, 2004). Índice de Perdas por Ramal = º (Equação 3) 18

33 Índice de Perdas por Extensão de Redes Relaciona o volume perdido total anual com o comprimento da rede de distribuição de água existente no sistema (TARDELLI FILHO, 2004). O uso é recomendável em sistemas com densidade de ramais inferior a 20 ramais/km (ALEGRE, 2000). O cálculo é dado pela Equação (04) (TARDELLI FILHO, 2004). Índice de Perdas por Extensão de Rede = 4) ã (Equação Índice Infraestrutural de Perdas O índice infraestrutural de perdas, ou em inglês Infraestructure Leakege Index (ILI), é a proposta mais atual em se tratando de um indicador de desempenho para perdas reais. O indicador é um número admensional, facilitando as comparações entre os países que utilizam unidades de medição diferentes, calculado pela diferença entre perdas reais anuais e perdas inevitáveis anuais dado pela Equação (05) (THORNTON, 2004). O ILI é particularmente útil em sistemas onde a perda de água não faturada é relativamente baixa, por exemplo, abaixo de 20%. Este indicador pode ajudar a identificar quais as áreas podem ter índices mais reduzidos (FARLEY, 2008). A vantagem desse indicador é a incorporação de variáveis importantes que influenciam as perdas, tal como a pressão de operação da rede (TARDELLI FILHO, 2004). Índice Infraestrutural de Perdas = á (Equação 5) Os componentes complexos iniciais para o cálculo das perdas reais inevitáveis foram convertidos para um formato utilizando uma pressão pré definida para a utilização prática, conforme Equação (06) (FARLEY, 2008): Perdas Reais Inevitáveis = 18 x L x 0,8 x N x 25 x L x P Onde: L m = comprimento da rede (km); N c = número de ramais; L p = extensão entre a testada do imóvel e o hidrômetro (km); P = pressão média de operação (mca). (Equação 6) 19

34 Considerando os itens avaliados pelo ILI, pode-se dizer que este mede quão bem a companhia de saneamento implementa sua infraestrutura, gerencia as funções de reparo e seu controle ativo de vazamentos (FARLEY, 2008). De forma a orientar os gestores de serviços públicos, a Tabela 2 apresenta a matriz alvo para redução de perdas para os países desenvolvidos e em desenvolvimento onde são apresentados o nível do ILI esperado e perdas reais em (Litros/Ramais x Dia) para diferentes níveis de pressão de rede. Categoria de Performance Tabela 2 - Matriz alvo para redução de perdas Perdas Reais (Litros/ Ramais x Dia) em sistemas ILI pressurizados com uma média de pressão 10 m 20 m 30 m 40 m 50 m Países Desenvolvidos Países em Desenvolvimento A 1-2 <50 <75 <100 <125 B C D >8 >200 >300 >400 >500 A 1-4 <50 <100 <150 <200 <250 B C D >16 >200 >400 >600 >800 >1000 Fonte: Instituto do Banco Internacional apud FARLEY, Sendo o significado das categorias: o Categoria A: Bom. Redução adicional de perda pode ser não econômica, e uma análise cuidadosa é necessária para identificar melhorias rentáveis. o Categoria B: Potencial para melhorias significativas. Considerar o gerenciamento de pressão, melhores práticas no controle ativo de vazamento, e melhor manutenção de rede. o Categoria C: Baixo. Tolerável apenas se á água é abundante e barata, mas mesmo assim deve ser intensificado os esforços para redução de perdas. o Categoria D: Ruim. A gestora de saneamento está utilizando os recursos de forma ineficiente e a implantação de um programa para redução de perdas é primordial. 20

35 4.5. Unidades de Controle e Redução de Perdas Setor de Abastecimento A operação dos sistemas de abastecimento de água requer uma compartimentação da rede de distribuição, obtida através da instalação e manuseio de registros, definindo-se uma área rigorosamente fechada (TARDELLI FILHO, 2004). O setor de abastecimento clássico pode ser definido a partir de um ponto de entrega de volumes de água, que pode ser um reservatório de regularização ou uma derivação da adutora (TARDELLI FILHO, 2004). Outros níveis de setorização podem ser definidos a partir do Zoneamento Piezométrico, onde determinadas áreas são abastecidas por gravidade a partir do reservatório (zona baixa), por elevatórias que succionam do reservatório e recalcam para reservatórios elevados ou diretamente para a rede (zona alta), por boosters que succionam e recalcam diretamente na rede e por válvulas redutoras de pressão - VRP (TARDELLI FILHO, 2004). Independente do tipo zona de pressão, é fundamental que a área seja estanque e que tenha condições de medir vazões e pressões de entrada (TARDELLI FILHO, 2004) Distrito Pitométrico Distrito Pitométrico é em essência uma área de medição e controle que não necessita estar plenamente implantando na rede, mas sim projetado e passível de implantação. Suas exigências são: Tamanho médio entre e ligações; Área estanque, não se admitindo fluxos entre Distritos Pitométricos vizinhos; Existência de ponto para medição de vazão e pressão na entrada (TARDELLI FILHO, 2004) Controle de Perdas Reais 21

36 As ações básicas para gestão da redução de perdas reais em qualquer sistema que requeira um investimento apropriado em cada uma das atividades básicas são: controle da pressão, agilidade e qualidade nos reparos, controle ativo de vazamentos e gerenciamento da infraestrutura, comumente expresso pelo diagrama da Figura 7 (EPA, 2010; LAMBERT, 2010). Figura 7 - Componentes para gestão de perdas reais. Fonte: MELATO, 2010 apud THORNTON, Controle Ativo dos Vazamentos O controle ativo de vazamentos representa a ação sistemática desenvolvida no sentido de localizar vazamentos não visíveis, através de métodos acústicos de pesquisa e repará-los (TARDELLI FILHO, 2004). Para escolher os setores prioritários onde deve ser realizada a pesquisa de vazamentos não visíveis, em função das características e condições do sistema de distribuição de água, pode-se utilizar a metodologia apresentada na Tabela 3. Tabela 3 - Tipos de pesquisa de vazamentos não visíveis. TIPO APLICAÇÃO CARACTERÍSTICAS Varredura na Rede Sistemas de cidades de pequeno porte, que não dispõem de informações mais específicas nem de sistema de medição adequado. A pesquisa não é precedida por qualquer tipo de análise das condições da rede e simplesmente é realizada uma pesquisa acústica em todo o sistema. Não é uma metodologia eficiente, uma vez que desperdiça tempo e recursos com pesquisa em trechos com bom estado. 22

37 TIPO APLICAÇÃO CARACTERÍSTICAS Pesquisa não baseada em medição Operadoras que não possuem micromedidores (hidrômetros), setorização e tampouco macromedidores com a finalidade de definir áreas críticas para a pesquisa e localização das perdas por vazamentos não visíveis nas redes de distribuição. Realização de levantamento e mapeamento dos setores da rede de distribuição, levando em conta as seguintes características: -setor com grande incidência de ordens de serviço relativas a reparos de vazamento; -pressões altas (mapear setores por faixa de pressão: até 30mca, até 50mca e acima de 50mca). -redes antigas (mapear as redes pela idade, nas faixas de: até 10 anos, 11 a 20 anos, 21 a 30 anos e acima de 30 anos. -setor com ramais prediais em ferro galvanizado ou de PVC com mais de 10 anos. -adutoras, subadutoras, redes ou ramais assentados sobre berços inadequados. -solos de má qualidade. -quantidade de vazamentos visíveis ou não visíveis no ramal predial que foram reparados em um ano. -mapeado o setor, definir as áreas prioritárias. Pesquisa baseada em sistema de medição A operadora possui setorização, macro e micro medição, podendo compatibilizar o volume de água que está entrando no setor, bem como o que está sendo consumido. A partir do conhecimento das perdas nos setores, pode-se otimizar o controle de perdas. Possibilita a pesquisa em setores identificados com grandes perdas no sistema, visto que o tempo e recursos não são desperdiçados em pesquisa com trechos de rede em boas condições. Esta metodologia não anula as técnicas não baseadas em medição, pelo contrário, devem ser feitas em conjunto, agregando mais fatores de decisão e análise da área para os trabalhos de pesquisa de vazamento. Fonte: GONÇALVES et al, Visando promover a pesquisa de vazamentos existem tecnologias variadas. Os equipamentos mais comuns de detecção acústica de vazamentos não visíveis são: haste de escuta, geofone e correlacionador de ruídos, Figura 8. Eles partem do princípio que são produzidos dois barulhos distintos quando a água pressurizada encontra uma ruptura na tubulação principal. O primeiro ruído é produzido quando a água é forçada através da abertura com uma frequência entre 500 e 800 Hz, e o segundo é produzido pelo fluxo de água preenchendo o entorno do tubo com uma frequência de 20 a 250 Hz. Essas ondas sonoras são 23

38 transmitidas através do solo e são, portanto, limitadas a uma distância curta antes de serem atenuadas (EPA, 2010). Além de métodos para detecção de vazamentos por detecção acústica existem os métodos de detecção eletromagnética, detecção por variação de temperatura e detecção química Haste de Escuta É um equipamento muito simples, composto de um amplificador mecânico ou eletrônico, acoplado a uma barra metálica, destinado a captar ruídos de vazamentos em acessórios da rede de distribuição de água (cavaletes, registros, hidrantes, etc). A haste de escuta não localiza o vazamento, apenas indica existência nas proximidades (TARDELLI FILHO, 2004). As vantagens da haste de escuta é ser um equipamento simples, robusto, por não possuir partes mecânicas ou eletrônicas e não requer calibração. As desvantagens apontadas são a necessidade de prática para um bom uso, dificuldade de localização do ponto exato de vazamento e dificuldade em distinguir ruídos de vazamentos em ambientes ruidosos (EPA,2010) Geofone É um detector acústico, cujas partes básicas são: amplificador, sensor ou transdutor e fones de ouvido destinados a identificar ruídos de vazamentos a partir da superfície do solo. O local onde o ruído apresentar maior intensidade é o ponto onde abaixo do qual se encontra o vazamento (TARDELLI FILHO, 2004). Os pontos fortes em se utilizar o geofone são a simplicidade no uso, robustez e a falta de necessidade em se utilizar energia para o funcionamento. Os pontos fracos são a necessidade de experiência do operador, a não detecção de alguns tipos de vazamento (em tubos não metálicos) e a necessidade de saber a localização exata das tubulações para que a detecção seja feita acima (EPA, 2010) Correlacionador de Ruídos É um equipamento acústico, composto de uma unidade principal processadora, préamplificadores e sensores, que identifica a posição do vazamento entre dois pontos determinados de uma tubulação, baseando-se na diferença de tempo que o ruído de vazamento leva para atingir cada um dos sensores (TARDELLI FILHO, 2004). 24

39 É um equipamento mais sofisticado, usado na maior parte das vezes para encontrar vazamentos em trechos onde o uso do geofone é difícil (ruas muito movimentas, por exemplo) ou para confirmar algum apontamento do geofone (TARDELLI FILHO, 2004). No entanto, seu uso não é indicado para grandes vazamentos que geram ruídos de baixa frequência e intensidade (EPA, 2010). Os pontos fortes deste equipamento são a delimitação precisa de ruídos de vazamentos de fundo sonoro complexo, tempo reduzido inclusive ao longo de uma rota muito inacessível e a possibilidade de localizar vazamentos em tubos não metálicos como os de PVC e polietileno. Como pontos fracos citam-se a necessidade de treinamento e maior cuidado na utilização (EPA, 2010). Figura 8 Equipamentos de detecção acústica. (A) Haste de Escuta, (B) Geofone, (C) Correlacionador de ruído. FONTE: EPA, Reparo de Vazamentos e Melhoria da Condição da Infraestrutura Um programa efetivo de gestão de perdas deve gerir o reparo de vazamentos detectados e da reabilitação ou substituição dos componentes do sistema que atingiram o limite de sua vida útil. O reparo depende de uma equipe treinada, utilizando materiais apropriados e equipados com ferramentas adequadas para reparar os vazamentos de forma rápida e segura (EPA,2010). Já para a substituição ou reabilitação, cabe avaliar o material empregado, as condições físico-químicas do solo, a mão de obra que executou os serviços e cuidados contra agentes de corrosão. 25

40 Controle da Pressão O controle de pressão visa gerenciar as pressões do sistema a níveis ótimos de serviço, garantindo a oferta suficiente e eficiente para os seus usos, reduzindo pressões desnecessárias ou eliminando transientes de forma a controlar os vazamentos (LAMBERT, 2000). Segundo a Norma Técnica NBR nº /1994, da ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas, a pressão estática máxima nas tubulações distribuidoras deve ser de 500 kpa e a pressão dinâmica mínima, de 100 kpa. Pesquisadores admitem que exista uma estreita relação entre a pressão média na rede e a vazão do vazamento como sendo expressa pela Equação (08) segundo GONÇALVES (2007): sendo, Q 1 = Volume do vazamento final - m³/dia; Q 0 = Volume do vazamento inicial - m³/dia; p 1 = Pressão final - m H 2 O; p 2 = Pressão inicial - m H 2 O; = (Equação 8) N1 = Coeficiente da relação pressão x vazamento: 0,5 Seção do tubo que não se altera com o vazamento; 1,00 Para uma avaliação simplificada. Pode-se dizer que na redução de 1 % no valor da pressão do sistema, haverá uma redução de 1 % no vazamento; 1,15 Para as condições gerais da rede de distribuição de água de um setor, onde se misturam os materiais, trechos com ferro fundido, PVC, aço, PEAD ou outro tipo de material; e 1,5 Seção do tubo que se altera com o vazamento. Para tubulações plásticas, esta função é praticamente linear. Através da fórmula, é possível estimar a redução de perdas em função da redução da pressão, também ilustrado pela Tabela 4 (GONÇALVES, 2007). 26

41 Tabela 4 - Estimativa da redução de perdas em função da redução da pressão Redução da Pressão (%) Redução da Perda (%) Fonte: Gonçalves, Os benefícios do gerenciamento das pressões possui os seguintes benefícios: Redução das vazões dos vazamentos existentes ou futuros e de algumas partes do consumo; Reduz a frequência de arrebentados, e/ou aumenta a durabilidade da infraestrutura (LAMBERT, 2000). A solução do problema das pressões é o zoneamento piezométrico, ou seja, a divisão de um setor de abastecimento em zonas com comportamento homogêneo dos planos de pressão. Esses planos piezométricos podem ser definidos pela cota piezométrica resultante de uma elevatória ou booster ou pela cota piezométrica resultante de uma VRP (TARDELLI FILHO, 2004). As VRPs podem possuir regulagem fixa em que a pressão de saída é única e o controle é mecânico ou modulado. Neste último caso utilizam-se dispositivos eletromecânicos que possibilitam uma programação prévia de acordo com as necessidades do setor a ser controlado (GONÇALVES 2007). O método mais simples e com investimento mais baixo para a redução de perdas é o uso de VRP com saída fixa. Geralmente, válvulas com saída fixa matem aproximadamente o mesmo valor da pressão a jusante da válvula para intervalos de vazão durante o dia, sendo que a pressão regulada tem que ser escolhida de tal forma a garantir a pressão mínima na hora de maior consumo (GONÇALVES 2007) Qualificação da mão de obra De forma a evitar desperdícios na execução dos serviços, recomenda-se um programa de treinamento da mão de obra assim como sua certificação. Um serviço mal executado pode em pouco tempo, apresentar vazamentos que exigirão novos esforços e recursos financeiros para corrigir as falhas (TARDELLI FILHO, 2004). 27

42 4.7. Controle das Perdas Aparentes As perdas aparentes podem ser significativamente reduzidas através da utilização de equipamentos mais precisos, pela inspeção e controle das ligações ilegais à rede e aplicação de sanções mais severas no caso de ligações clandestinas, pela instalação de medidores de vazão em áreas mais restritas e qualificação da mão de obra (RAMOS et al, 2007). O diagrama para controle e redução de perdas aparentes é ilustrado pela Figura 9. Figura 9 - Componentes do Controle e Redução de Perdas Aparentes. Fonte: MELATO, 2010 apud TARDELLI FILHO, Implantação e manutenção do sistema de macromedição A macromedição é relevante devido à capacidade de subsidiar elementos para o diagnóstico operacional, dosagens de produtos químicos e indicadores qualitativos e quantitativos da companhia. Considerando o foco na redução de perdas, recomendam-se os seguintes pontos e parâmetros a medir: Na produção: vazão captada no manancial e usos internos e vazão produzida na estação de tratamento de água - ETA; Na adução e distribuição: vazão disponibilizada à distribuição, vazões importadas ou exportadas, vazão na entrada dos reservatórios setoriais, vazões nos distritos pitométricos, VRP e booster (TARDELHI FILHO, 2004). 28

43 Redução da imprecisão dos medidores Os medidores são dispositivos mecânicos e usualmente perdem a precisão após um longo período de operação. As principais ações para a redução dos erros dos macromedidores estão relacionadas à especificação, ao dimensionamento adequado e à calibração periódica. Para os micromedidores as ações devem incluir a especificação, o dimensionamento adequado dos hidrômetros dos consumidores, leitura correta, troca corretiva (quando necessário) e trocas preventivas (MELATO, 2010; THORNTON, 2004) Combate às fraudes As fraudes incluem o consumo ilegal através de conexões irregulares, hidrômetros com rede em paralelo (bypass) e uso indevido de hidrantes. O combate às fraudes deve possuir programas de fiscalização constantes nas companhias de saneamento e em termos preventivos, as fraudes podem ser coibidas através da realização de campanhas de esclarecimentos à população, utilização de lacres nos hidrômetros ou o uso de outros dispositivos que dificultem ações fraudulentas (TARDELLI FILHO, 2004). O levantamento de possíveis fraudes ocorre através de denúncias da população, indícios observados pelos leituristas dos hidrômetros e análise do histórico de consumo das ligações. Com a suspeita da irregularidade é necessário ir à campo verificar a veracidade da fraude, e se esta for confirmada, atuar na sua regularização (MELATO, 2010) Melhorias no sistema comercial A gestão comercial de uma prestadora de serviços de saneamento deve incluir sistemas de informação e controles adequados que variam de tamanho e complexidade em função do porte da área em questão. Tais sistemas envolvem o acatamento do pedido de ligação do cliente, cadastramento comercial da ligação após sua execução, programação das leituras, apuração do consumo, emissão de contas e geração de relatórios gerenciais (TARDELLI FILHO, 2004). O cadastramento de novas ligações deve ser foco do sistema comercial. Há casos em que as ligações são realizadas legalmente, porém o departamento comercial não é notificado da nova ligação e dessa forma, o consumidor nunca receberá uma conta. Os consumidores sem registro podem ser detectados através do ciclo das leituras regulares dos demais hidrômetros (FARLEY, 2008). 29

44 Qualificação da mão de obra A qualificação da mão de obra deve incluir o treinamentos dos profissionais que fazem a leitura dos hidrômetros, gestão comercial, instalação, calibração e manutenção dos medidores reduzindo erros e melhorando a percepção de problemas nas ligações e contabilização de consumos (MELATO, 2010) Simulação de sistemas de distribuição de água O termo simulação geralmente refere-se ao processo de reproduzir o comportamento de um sistema (WALSKI et al 2001). No caso de sistemas de abastecimento de água, o termo simulação irá referir-se à representação matemática das leis físicas que regem o fenômeno do escoamento de fluidos sob pressão, baseados no equacionamento das variáveis envolvidas no processo: vazões nos trechos de rede e pressões nos nós entre os trechos consecutivos (CARRIJO, 2004). Uma das características fundamentais dos modelos de simulação e análises de sistemas de abastecimento é a presença da variável tempo. O objetivo do modelo não é o de determinar valores das grandezas hidráulicas e sim o de obter a variação destas grandezas ao longo do tempo (vazão nos trechos, pressão nos nós, nível de água nos reservatórios e energia requerida no bombeamento. Em função de uma variável tempo, os modelos podem representar os sistemas de forma estática, que representa um momento específico, ou dinâmica (GOMES, 2004). Através dos modelos de simulação hidráulica é possível representar propostas e simular condições reais que poderiam ocorrer dentro de uma faixa de incertezas inerentes ao conhecimento técnico científico de forma a auxiliar a tomada de decisões em sistemas complexos (TUCCI, 1998 apud ALBANO, 2004). A importância dos modelos de simulação hidráulica relaciona-se à possibilidade de realizar prognósticos do comportamento de sistemas de distribuição de água para abastecimento obtendo-se economia de tempo através da automatização de tarefas rotineiras que possibilitam realizar análises mais detalhadas do problema e, consequentemente, encontrar soluções ótimas ou mais apropriadas ao estudo (CASTRO, 2007). Dentre seus objetivos WALSKI et al (2001) destacam: Estudos de proteção contra incêndio; Investigações sobre a qualidade da água; 30

45 Gestão de energia; Elaboração do projeto do sistema; Planejamento a longo prazo, incluindo reabilitação e novas redes de água; Usos operacionais diários incluindo treinamento na operação, emergenciais e solução de problemas e; Gerenciamento de pressões e controle de vazamentos. repostas Processo de modelagem A montagem, calibração e o uso de modelos para sistemas de distribuição de água podem ser vistos como uma tarefa a alguém que está confrontando com um novo programa e muitos dados e mapas do sistema atual. Como uma grande tarefa, a forma de completá-la é separá-la em blocos (WALSKI et al, 2001). As tarefas para execução do processo de modelagem encontram-se na Figura 10. Seguindo os passos ilustrados pela Figura 10, a primeira etapa na elaboração de qualquer projeto de modelagem é desenvolver o consenso sobre a necessidade da modelagem e o propósito para qual o modelo será utilizado e então inicia-se o processo de modelagem com a escolha do programa a ser utilizado, montagem do modelo, coleta de dados para a calibração, definição das condições operacionais, calibração e uso do modelo e sua manutenção. Nota-se que muitos do processos podem ser executados em paralelo enquanto outros devem ser executados em série. A modelagem envolve uma série de abstrações. A primeira deve-se ao fato de a tubulações e demais equipamentos reais estarem representados graficamente nas plantas cadastrais do sistema de distribuição de água. Então, os mapas são convertidos para um modelo que é representados por redes e nós. Outro tipo de abstração é introduzido no comportamento pela forma que são representados matematicamente. As equações do modelo são então resolvidas, e as soluções são tipicamente mostradas nos mapas como dados de saída tabulares (WALSKI et al, 2001). 31

46 Figura 10 - Esquemático de tarefas do processo de modelagem. FONTE: PALO, 2010 apud WALSKI et al,

47 Representação do modelo Antes de iniciar o processo de modelagem, é necessário definir metas e posteriormente planejar as etapas de construção do modelo representativo do sistema real incluindo o levantamento das informações cadastrais e levantamento de informações operacionais como a estimativa de demandas, construção do padrão temporal de consumo e a coleta de dados qualiquantitativos. Todas essas etapas se não forem cuidadosamente realizadas podem distorcer os resultados da simulação (CHEUNG et al, 2007). Os elementos hidráulicos em um sistema de abastecimento podem ser classificados em duas categorias: ativos e passivos. Os elementos ativos são aqueles os quais podem ser operados de forma a modificar a vazão de água em partes específicas do sistema, como bombas e válvulas. Os tubos e reservatórios são elementos passivos, eles recebem o efeitos dos elementos ativos. Estes elementos em sistemas de abastecimento possuem suma importância para a dinâmica do comportamento dos sistemas de abastecimento (EKER et al, 2002). O conceito da interação das redes é fundamental para modelos de distribuição de água. As interações das redes contém todos os diversos componentes do sistema e definem como eles estão interconectados. São constituídas pelos nós os quais representam feições em localizações específicas dentro do sistema e pelas redes que definem a relação entre os nós (WALSKI et al, 2001). A Tabela 5 apresenta os elementos principais da modelagem hidráulica, seu tipo de interação e função primária e principais dados de entrada. Elemento Tipo Tabela 5 - Elementos comuns da modelagem. Função Primária no Modelo Principais Dados de Entrada (WALSKI et al, 2001) (CHEUNG et al, 2007) Reservatório Nó Suprir o modelo com água Tanque Nó Armazenar o excesso de água dentro do sistema e liberar nos horários de maior consumo Cota topográfica e gradiente hidráulico Diâmetro, cota topográfica, níveis mínimos e máximos Junção Nó Remove ou adiciona demanda ao sistema Consumo, cotas topográficas e padrões de demanda 33

48 Elemento Tipo Função Primária no Modelo (WALSKI et al, 2001) Principais Dados de Entrada (CHEUNG et al, 2007) Tubo Conexão Transmite água de um nó ao outro Comprimento, diâmetro, coeficientes de rugosidade, estado (aberta, fechada ou contendo válvulas de retenção), coeficientes cinéticos de reação Bomba Válvula de Controle Nó ou Conexão Nó ou Conexão Aumenta o gradiente hidráulico de forma a superar diferença de nível e perdas de carga Controla a vazão ou pressão no sistema baseado em critérios específicos FONTE: CHEUNG et al, 2007 e WALSKI et al, Curva de funcionamento da bomba (vazão e elevação) Diâmetro, tipo de válvula e parâmetro de controle A seguir apresenta-se breve descrição dos principais componentes físicos dos sistema de abastecimento de água utilizados na modelagem hidráulica, apresentados pela Figura 11. Rede Figura 11 - Elementos comuns da modelagem. Reservatório O termo reservatório possui significado específico na modelagem de sistemas de distribuição de água. O reservatório representa um nó de fronteira dentro do modelo que representa um volume de armazenamento de água de capacidade ilimitada e carga hidráulica constante (GOMES, 2004; WALSKI et al, 2001). Os reservatórios são utilizados no modelo para representar fontes ou mananciais de água onde o gradiente hidráulico, soma da pressão e cota altimétrica em um determinado ponto é 34

49 controlado por fatores que não estão relacionados ao uso do recurso onde a carga hidráulica é o principal parâmetro a ser inserido. Como o armazenamento de água não é o objetivo do reservatório, nenhum dado de volume é necessário. Lagos, rios, aquíferos e estações de tratamento de água são frequentemente representados por reservatórios em modelos hidráulicos (CESARIO, 1995; GOMES, 2004; WALSKI et al, 2001). Os reservatórios podem possuir nível fixo onde a carga hidráulica não varia, ou nível variável, a carga hidráulica irá variar de acordo com os padrões temporais estabelecidos. Tanque O tanque também é um nó de fronteira, mas diferentemente dos reservatórios, a linha de gradiente hidráulico varia de acordo com a entrada e saída de água. Os tanques possuem volume de armazenamento finito sendo utilizados para armazenar água durante os períodos de baixo consumo e supri-la nos períodos de maior demanda, podendo estar completamente cheios ou completamente vazios (WALSKI et al, 2001). Os principais parâmetros de entrada são a cota altimétrica, volume, cotas máximas e mínimas. Junções Como o termo implica, um dos usos primários dos nós de junção é prover a localização para dois ou mais tubos, sendo os pontos onde os trechos se conectam (WALSKI et al, 2001). Os principais dados de entrada para os nós são a cota altimétrica e consumo base que representa a demanda média diária (GOMES, 2004). A partir dos nós, apresentam-se alguns resultados após a execução do modelo, entre eles estão o consumo instantâneo, carga hidráulica total e pressão disponível (GOMES, 2004). Tubulação A tubulação transporta a água entre os vários pontos da rede, sendo o sentido do escoamento a partir das cotas piezométricas mais elevada para as cotas piezométricas mais baixas (GOMES, 2004). Para a proposta de modelagem, os segmentos individuais do tubo e seus tamanhos associados podem todos ser combinados em um elemento único desde que apresentem as mesmas características (diâmetro, material, etc.) (WALSKI et al, 2001). O comprimento associado ao tubo deve representar a distância total pela qual a água escoa de um nó ao outro, sem a necessidade de estar em linha reta (WALSKI et al, 2001) e o diâmetro a ser utilizado é o interno, ou seja, a distância de um ponto interno até o seu 35

50 diametralmente oposto na parede interna. Este valor difere do diâmetro nominal, pois a medida exata depende da classe de pressão e material do tubo (PALO, 2010). Adicionando complexidade na determinação do diâmetro, o diâmetro interno pode variar com o tempo devido à corrosão, formação de tubérculos e incrustação nos tubos de ferro fundido e aço. Como a reação de corrosão ocorre na superfície do tubo, a reação é expandida para formatos que não obedecem padrões de protuberâncias (tubérculos). Já a incrustação é o processo de deposição química que forma uma elevação de material ao longo do tubo. Como consequência destes processos, comumente utiliza-se o valor do diâmetro nominal (DN) associado ao coeficiente de rugosidade (WALSKI et al, 2001). Figura 12 - Alterações na superfície interna do tubo. Fonte: AZEVEDO NETO, Bomba Bomba é um elemento que transfere energia ao sistema na forma de aumento de gradiente hidráulico transformando a energia elétrica em mecânica e esta em cinética hidráulica. A bomba é empregada para possibilitar que o fluxo de água na tubulação vença as perdas de carga e diferenças de cotas geométricas. A menos que o sistema seja completamente operado por gravidade, as bombas serão constituintes do sistema de distribuição (PALO, 2010; WALSKI et al, 2001). Nos sistemas de distribuição de água, o tipo mais comum de bomba utilizada é a centrífuga. A bomba centrífuga possui um motor que é conectado a um rotor que impulsiona a água pela tubulação. A energia mecânica de rotação impulsiona a água na tubulação aumentando a carga hidráulica (PALO, 2010; WALSKI et al, 2001). Os principais dados a inserir no programa, relativos à bomba, são obtidos a partir da sua curva característica. Os parâmetros necessários são a altura manométrica, eficiência, potência e o NPSH (net positive suction head) (PALO, 2010; WALSKI et al, 2001). 36

51 Válvulas As válvulas são dispositivos mecânicos utilizados para isolar ou controlar o fluxo de água dentro da tubulação, elevatórias, estações de tratamento e reservatórios. Alguns tipos de válvulas são mais indicadas para operarem fechadas, além de existirem válvulas para diversos tipos de funções (CESARIO, 1995). As principais variáveis resultantes da simulação para as válvulas são a vazão e perda de carga (GOMES, 2004). Usualmente, as válvulas são classificadas como: bloqueio, controle de vazão, controle, mantenedora de pressão, nível e ventosa (WALSKI et al, 2001). Adicionalmente aos componentes físicos, é possível definir categorias de informações sobre o sistema de abastecimento através das curvas senoidais, padrões temporais e controles que descrevem o comportamento e os aspectos operacionais do sistema (GOMES, 2004). Curvas Senoidais As curvas senoidais são funções que contêm pares de dados que representam uma relação entre duas grandezas. Como exemplos, as curvas da bomba apresentam a relação entre a altura de elevação e a vazão, as curvas de volume apresentam a relação da variação do volume do reservatório com a altura da água e a curva da perda de carga descreve a perda de carga através de uma válvula em função da vazão (GOMES, 2004). Padrões Temporais Um padrão temporal é constituído por um conjunto de fatores multiplicativos que podem ser aplicados ao valor de uma determinada grandeza, de forma a traduzir sua variação como o tempo. O consumo nodal, a carga hidráulica num reservatório de nível fixo, a tarifa de energia e esquemas de bombeamento podem estar associados a um padrão temporal (GOMES, 2004). Controles Os controles são instruções ou regras que estabelecem o modo como o sistema de abastecimento deve operar ao longo do tempo (GOMES, 2004) Calibração Ainda que todos os dados tenham sido coletados e introduzidos no modelo de simulação hidráulica através do software utilizado, não se pode assumir que o modelo é uma simulação 37

52 precisa do sistema real. A simulação hidráulica simplesmente resolve equações de continuidade e energia através dos dados fornecidos e dessa forma, a qualidade dos dados irá predizer a qualidade dos resultados obtidos. A precisão de um modelo depende de quão bem ele foi calibrado, assim, o processo de calibração deve sempre ser realizado antes do uso do modelo para tomada de decisões (WALSKI et al, 2001). Calibração é o processo de ajuste fino do modelo dentro das condições de simulação em campo restrito a um horizonte de tempo para estabelecer um grau de precisão. O ajuste fino inclui a inserção de melhores dados de entrada para obtenção a saída de dados desejada. Para calibração do modelo, deve-se analisar simultaneamente valores de pressão e vazão. Analisar de forma isolada a combinação de dados de pressão ou dados de vazão não são suficientes, pressão e vazão são dependentes umas das outras (CESARIO, 1995). O grau de precisão refere-se à diferença entre valores simulados e valores observados. A calibração do modelo deve atingir o grau desejável de precisão utilizado para assegurar maior confiabilidade ao modelo. As pressões simuladas e observadas nem sempre serão idênticas em todos os nós do sistema (CESARIO, 1995). O processo de calibração pode incluir alterações na demanda do sistema, ajuste de rugosidade, alteração dos padrões de operação de bombas e ajustes de outros atributos que interferem nos resultados da simulação (WALSKI et al, 2001). 38

53 5. ESTUDO DE CASO 5.1. Localização O setor de abastecimento Derivação Sacomã localiza-se na área central da região metropolitana de São Paulo e no município de mesmo nome. Abrange uma área de 8,58 km² e perímetro de 22,57 km, delimitado pelos principais logradouros: Rua Carnaúba, Avenida Guido Aliberti, Avenida Dr. Francisco Mesquita, Rua das Juntas Provisórias, Avenida Presidente Tancredo Neves, Rua Descampado, Rua Izonzo, Estrada das Lágrimas e Rua Cândida Medeiros da Silva, ilustrado pela Figura 13. A população residente, é de habitantes, em um total de domicílios (SABESP, 2013). Figura 13 - Localização do Setor de Abastecimento Derivação Sacomã na RMSP. FONTE: SABESP, Sistema de Abastecimento Existente O setor Derivação Sacomã é abastecido atualmente pelo Sistema Produtor Cantareira, através de derivação em marcha na adutora Mooca - Cadiriri São Caetano, adutora de DN A zona de pressão é única por tratar-se de uma zona de derivação, não contendo estações elevatórias ou boosters. A variação altimétrica é de aproximadamente 50 m, variando da cota de 785,00 m até a cota de 735 m, conforme 39

54 Figura 14. Figura 14 - Variação altimétrica do setor Derivação Sacomã. FONTE: SABESP, De forma a controlar as pressões do sistema, encontram-se operando cinco VRPs que cobrem cerca de 23,31% de toda a área do setor de abastecimento, ilustrado pela Figura 15. VRP Almirante Delamare, localizada na Rua Almirante Delamare, 501; VRP Anny, localizada na Rua Anny, 430; VRP Estrada das Lágrimas, localizada na Rua Estrada das Lágrimas, 3596; VRP Mário Navarro da Costa, localizada na Rua Mário Navarro da Costa, 214; e VRP Pilões, localizada na Rua dos Pilões, 6. 40

55 Figura 15 - Áreas cobertas por VRP. FONTE: SABESP, A área é atendida por abastecimento de água na sua totalidade (100%), contendo economias em ligações prediais ativas segundo dados da Sabesp de março de O número de economias distingue-se do número de ligações prediais pelo fato de uma ligação poder conter mais de uma economia, ou seja, uma ligação pode abastecer mais de um imóvel com categoria de uso igual ou diferente. A distribuição da categoria de uso das ligações de água é apresentada na Figura 16, mostrando a predominância de ligações residenciais. Categorias de Uso 2,2% 2,1% 7,7% 0,2% 87,8% Residencial Público Misto Industrial Comercial Figura 16 - Categorias de uso de ligação de água na Derivação Sacomã. FONTE: SABESP,

56 As redes de distribuição de água do setor são de diâmetros que variam de 32 a mm em uma extensão de 184,29 km, sendo que do total, 21% são redes antigas que foram assentadas antes de 1950 (SABESP, 2013). As faixas de variação de idade de rede podem ser visualizadas na Figura 17 e sua distribuição na Figura 18. Idade da Tubulação 37,4% 18,5% 21,4% 11,7% 6,0% 5,0% >50 Idade da tubulação em anos Figura 17 - Idade da tubulação em faixas, valores expressos em porcentagem da extensão total. FONTE: SABESP, Figura 18 - Distribuição da idade de rede. FONTE: SABESP,

57 Os indicadores de performance do setor anualizados com base no mês de agosto de 2012 (calculado de setembro de 2011 a agostos de 2012), segundo dados da companhia de saneamento são: Indicador percentual: 52,7 %; Índice de perdas totais por ramal: 413 L/ramal.dia; Índice de perdas reais por ramal: 256 L/ramal.dia; e Índice de perdas aparentes por ramal: 157 L/ramal.dia Uso e Ocupação do Solo A área de estudo possui característica heterogênea, com predominância de imóveis residenciais evidenciado pela Figura 19. Na região há a existência de alguns assentamentos precários, entre eles a favela do Heliópolis, com imóveis; favela Morro da USP, com 541 imóveis e a favela Chácara Chacrinha, com 300 imóveis (HABISP, 2013). Figura 19 - Fotografia aérea do setor. FONTE: SABESP,

58 5.4. Simulação Hidráulica Materiais Considerando a construção do modelo hidráulico, foram utilizados os seguintes materiais: Microcomputador com sistema operacional Windows 7 Professional Service Pack 1, processador AMD Phenom(tn) II X3 B75 Processor 3.00 GHz, memória instalada de 4,0 GB e sistema operacional 32 bits; Programa WaterGEMS da Bentley Systems, versão V8i com número ilimitado de tubos; Módulo Darwin Calibrator da Bentley para o programa WaterGEMS ; Programa ArcGIS 9 da Environmental Systems Research Institute Inc; Aplicativo Microsoft Ofice Ecxel e Word versão 2010; e Registradores de vazão, 06 unidades, registradores de pressão, 15 unidades Metodologia para a Construção do Modelo Para a construção da topologia no programa de simulação hidráulica WaterGEMS da Bentley, utilizou-se dados cadastrais georeferenciados do setor Derivação Sacomã que foram ajustados à área de estudo através do programa ArcGIS 9. Foram carregadas as informações referentes ao comprimento, tipo de material, diâmetro, idade e coeficiente de rugosidade das redes de água do sistema disponibilizados pela Sabesp. Para a determinação do coeficiente de rugosidade, fez-se uso da tabela disponível na obra de AZEVEDO NETTO (1998), cujos valores do coeficiente de rugosidade são dados pela interpolação do material, diâmetro e idade de rede. Aos nós obtidos, acrescentaram-se os dados de cota altimétrica e demanda. Para inserção da demanda em cada nó, agruparam-se os consumos micromedidos de cada ligação de água (obtidos pela média da leitura mensal de cada imóvel pelo período de um ano) de acordo com sua proximidade ao nó, conforme supre a Figura 20, agrupando todas as ligações ativas em nós. 44

59 Hidrômetro do cliente Demanda associada ao nó Figura 20 - Agrupamento de ligações ao nó mais próximo. FONTE: BENTLEY, A vazão micromedida de cada nó foi multiplicada pelo fator de correção de perdas (F cp ) de forma a atingir a vazão de demanda total do setor. O fator de correção foi calculado através de Equação (08). F = ã ( ) ã ( ) (Equação 8) Para o cálculo do fator de correção de perdas considerando a vazão de entrada do sistema, 525,17 L/s, obtida do período de medição de uma semana (17 a 23 de agosto de 2012) e a vazão micromedida de 282,03 L/s obtida da média de 12 meses, o F cp utilizado foi de 1,86. Adotou-se o período de uma semana visando neutralizar a variação sazonal do consumo que ocorre de acordo com os dias da semana. Em se tratando de um modelo dinâmico, é necessário a inserção das curvas senoidais de vazão e pressão que representam o valor neutro a uma determinada hora do dia, como sendo a relação entre o valor histórico médio de consumos desta hora pela média dos valores horários da curva média de consumos do setor. Dessa forma, a curva senoidal neutra de consumos é dada pelos 24 valores neutros assim obtidos exemplificado pela Tabela 6, que apresenta os cálculos da curva neutra de demanda geral do setor. 45

60 Tabela 6 Exemplo de cálculo da curva neutra demanda geral do setor. Horário Valor Histórico Médio da Hora L/s (a) Valores Neutros (cálculo de a/b) 0:00 461,72 0,88 1:00 418,58 0,80 2:00 379,40 0,72 3:00 350,08 0,67 4:00 349,20 0,66 5:00 355,86 0,68 6:00 415,04 0,79 7:00 478,60 0,91 8:00 526,89 1,00 9:00 580,12 1,10 10:00 608,84 1,16 11:00 645,79 1,23 12:00 667,22 1,27 13:00 638,65 1,22 14:00 601,57 1,15 15:00 566,06 1,08 16:00 547,51 1,04 17:00 567,23 1,08 18:00 596,32 1,14 19:00 600,00 1,14 20:00 606,93 1,16 21:00 591,24 1,13 22:00 536,69 1,02 23:00 514,42 0,98 Média dos Valores Horários L/s (b) 525,17 Na elaboração do modelo, foram inseridas as quatro curvas neutras de demanda obtidas a partir dos dados de medição: VRP Mário Navarro da Costa, VRP Anny, VRP Estrada das Lágrimas e Geral do Setor de Abastecimento. Assim, os nós contidos nas áreas destas VRPs foram associados a sua curva neutra correspondente e os demais nós do modelo, que não estão inseridos dentro de uma destas áreas coberta por VRP, associados à curva Geral do Setor. As ilustrações Figura 21, Figura 22, Figura 23 e Figura 24 apresentam a curva neutra e vazão média horária Geral do Setor, VRP Mário Navarro da Costa, VRP Anny e VRP Estrada das Lágrimas respectivamente. 46

61 Vazão (L/s) 750,00 700,00 650,00 600,00 550,00 500,00 450,00 400,00 350,00 300,00 250,00 Variação Horária da Demanda Geral do Setor Curva Neutra e Vazão Média 1,40 1,30 1,20 1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 Curva neutra Horas Vazão Média Curva Neutra Figura 21- Variação horária da demanda Geral do Setor: vazão média e curva neutra. Vazão (L/s) Variação Horária da Demanda VRP Mário Navarro Curva Neutra e Vazão Média 1,5 1,3 1,1 0,9 0,7 0,5 0,3 0,1-0,1 Curva Neutra Vazão Média Curva Neutra Figura 22- Variação horária da demanda VRP Mário Navarro: vazão média e curva neutra. 47

62 Vazão (L/s) 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 Variação Horária da Demanda VRP Anny Curva Neutra e Vazão Média 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Curva Neutra Vazão Média Curva Neutra Figura 23- Variação horária da demanda VRP Anny: vazão média e curva neutra. 25,00 20,00 Variação Horária da Demanda VRP Estrada das Lágrimas Curva Neutra e Vazão Média 1,50 1,30 1,10 Vazão (L/s) 15,00 10,00 5,00 0,00 0,90 0,70 0,50 0,30 0,10-0,10 Curva Neutra Vazão Média Curva Neutra Figura 24- Variação horária da demanda VRP Mário Navarro: vazão média e curva neutra. Como o sistema de abastecimento não possui reservação, a entrada do sistema no modelo foi considerada como um reservatório, onde a pressão estática é dada pela pressão média na entrada 41,69 m H 2 O, e a pressão dinâmica pela multiplicação da pressão estática pela curva neutra visualizada na Figura

63 Variação Horária da Pressão na Entrada Curva Neutra e Pressão Média Pressão (m H 2 O) 48,00 46,00 44,00 42,00 40,00 38,00 36,00 1,20 1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 Curva Neutra Horas Pressão Média Curva Neutra Figura 25 - Curva neutra de pressão na entrada do sistema. No modelo, todas as curvas neutras foram construídas para o período de 7 dias: 17 a 23 de agosto de Ainda, para a elaboração da topologia do modelo foram inseridas as cinco VRPs existentes e as válvulas de controle com a função de isolar a área para a formação de seus distritos pitométricos. Apesar de inseridas as válvulas de controle para isolamento da área coberta pela VRP Mário Navarro da Costa, estas foram demarcadas com o status aberto já que o setor não se encontrava estanque devido à pontos de falta d'água. Apesar de todas as VRPs da área de estudo possuírem controlador de ajuste fixo de pressão de saída, observou-se variação da pressão jusante à VRP, sendo também inseridas as curvas neutras obtidas dos dados coletados para ajuste das válvulas. As pressões médias de jusante cada VRP encontram-se na Tabela 7. 49

64 Tabela 7 Pressões médias de jusante das VRPs. VRP Pressão Média de Jusante (m H 2 O) Estrada das Lágrimas 35,4 Mário Navarro da Costa 18,6 Anny 22,0 Almirante Delamare 12,7 Pilões 40,0 A topologia do modelo hidráulico do setor de abastecimento Derivação Sacomã construída no programa WaterGEMS pode ser observada Figura 26. Figura 26 - Topologia do modelo do Setor Deriv. Sacomã no WaterGEMS Calibração do Modelo A calibração do modelo foi realizada por meio de medições de pressão e vazão coletadas através de registradores instalados em 15 pontos distintos especificados na Tabela 8 e Figura 27. Dos 15 pontos de coleta em apenas 6 deles foram medidas as vazões devido aos custos envolvidos e restrições de diâmetro da rede. O período de medição foi de 17 a 23 de agosto de 2012, com intervalos de medição de 15 min. Em geral, a calibração do modelo hidráulico é dada a partir das variações de pressão do modelo teórico comparadas ao sistema real e corrigindo as demandas de cada junção, ou a 50

65 rugosidade específica de cada trecho de rede de forma a tornar o modelo mais condizente com a realidade (PALO, 2010). Tabela 8 - Pontos de coleta de dados de pressão e vazão. Ponto de Diâmetro Localização Coleta (mm) R. Brás de Pina 2 75 R. Cavalheiro Frontini 3 75 Manuel Santa Garcia 4 75 R. Pelegrino Varani Derivação Cristo Redentor Via Anchieta Av. Carioca R. Nossa Senhora da Saúde Avelino Barreiro R. Alencar Araripe VRP Almirante Delamare VRP Anny R. Edmeia Attab VRP Estrada das Lágrimas VRP Mário Navarro Costa Figura 27 - Localização dos pontos de coleta de dados de pressão e vazão. 51

66 O programa utilizado possui uma ferramenta de calibração, Darwin Calibrator, que ajuda a redistribuir variáveis de forma a obter-se valores simulados mais próximo aos coletados. Como o período de coleta de dados foi de uma semana, construíram-se planilhas com as médias de vazão e pressão para cada hora do dia onde cada ponto de coleta é associado ao seu respectivo nó no modelo, permitindo que o programa aproxime os valores simulados em função dos valores medidos em campo. Assim, a Tabela 9 apresenta a associação dos ponto de coleta à junção ou tubo associado do modelo. Tabela 9 - Associação dos pontos de coleta aos tubos e nós do modelo. Ponto de Coleta Título do Nó Associado Título do Tubo Associado 1 J J J J J-4165 Rd J-3973 Rd J-4186 Rd J J J J J-100 Rd J J-723 Rd J-167 Rd-4581 O processo de calibração utilizou o método que minimiza a diferença dos valores absolutos de forma a diminuir a discrepância entre os dados observados e os valores simulados no modelo. Por meio de ajustes, o programa pode ajustar o coeficiente de rugosidade dos tubos e demandas nos nós simultaneamente. Testaram-se diferentes condições de ajuste e a que apresentou melhor resultado foi a alteração do coeficiente de rugosidade inicial dos tubos através de multiplicações entre 0,7 e 1,3 com incrementos de 0,1 a cada vez. Com relação à variação na demanda, permitiu-se uma multiplicação destas por valores entre 0,9 e 1,3 para os nós contidos fora de áreas cobertas por VRPs e 0,8 a 1,1 para os nós contidos nas áreas cobertas por VRPs, ambos com incremento de 0,1 a cada tentativa. O resultado da calibração é dado através do gradiente hidráulico onde a diferença entre o simulado e o observado variou de -8,01 m a 9,48 m, de um para o outro, tendo as maiores 52

67 variações nos pontos de coleta 4, 6 e 10. Os pontos 6 e 10 são pontos localizados fora da interferência de VRP enquanto o ponto quatro está dentro da área coberta pela VRP Mário Navarro da Costa. Com relação aos resultados da calibração da vazão, a diferença entre o simulado e o observado variou de -2,4 L/s a 27,5 L/s. A maior diferença ocorreu no ponto 5, Derivação Cristo Redentor, que é a entrada do setor de abastecimento onde possui a maior vazão absoluta. A Tabela 10 apresenta a diferença média por horário entre o simulado e o observado para variações no gradiente hidráulico e vazão. Tabela 10 Diferença média horária entre o simulado e o observado para o gradiente hidráulico e vazão. Horário Gradiente Hidráulico (m) Vazão (L/s) 0 3,26 8,60 1 3,05 7,53 2 2,74 15,25 3 2,73 16,33 4 2,63 15,96 5 2,63 14,68 6 2,65 13,66 7 3,26 12,71 8 3,90 12,85 9 3,99 13, ,33 14, ,47 14, ,50 6, ,07 14, ,64 13, ,55 15, ,54 10, ,80 6, ,95 5, ,13 7, ,91 9, ,70 11, ,39 12, ,39 14,07 A Figura 28 apresenta o resultado de calibração para o ponto 2 R. Cavalheiro Frontini, onde é possível observar os dados de pressão horária antes da calibração, após a calibração e os valores observados. 53

68 Pressão (mh2o) 52,00 47,00 42,00 37,00 32,00 Calibração Ponto 2 - R. Cavalheiro Frontini Horas Modelo Calibrado Observado Modelo Antes da Calibração Figura 28 - Resultado da calibração do ponto 2 - R. Cavalheiro Frontini. Nota-se que, após a calibração, o comportamento da pressão apresentou-se muito próximo aos valores observados dando maior confiabilidade ao modelo Análise do Modelo Para a análise dos resultados, avaliou-se para o período de 24 horas a variação de pressão modelada nos nós, ilustrado pela Figura 30, Figura 31, Figura 32 e Figura 33. Conforme observado na curva neutra de demanda geral do setor, o horário de maior consumo, onde são esperadas as ocorrências de menores pressões, ocorre às 12 horas, ainda que nos horários entre 7 horas e 23 horas ocorram pressões inferiores a 10 m H 2 O, limite de pressão dinâmica mínima preconizado pela NBR nº /1994, da ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas. A região mais crítica localiza-se na porção central, próximo à Estação de Tratamento de Esgoto ABC na região do Heliópolis. Além da possibilidade da existência de ligações irregulares, é onde ocorrem as cotas altimétricas mais elevadas do setor de abastecimento, variando de 765 a 780 m. Avaliando as perdas de carga, vide Figura 34, nota-se que nesta mesma região, Heliópolis, há a maior ocorrência de trechos de tubulação com perda de carga superior a 0,030 m/m podendo ser justificado principalmente pelo baixo diâmetro destas tubulações. Ainda, há a possibilidade da demanda em determinados tubos ser maior do que a real devido ao método utilizado para associar a demanda aos nós, onde existe duas ou mais tubulações em paralelo, o programa irá associar a demanda ao nó mais próximo, e assim gerar perdas de carga maiores. 54

69 Uma outra causa que pode implicar em erros no modelo relacionam-se às falhas nas informações cadastrais utilizadas. Podem existir redes de água não cadastradas devido a idade destes assentamentos, assim como as informações de novos assentamentos ou substituição de redes e interligações não terem sido atualizados no sistema. Existem outros trechos no setor de abastecimento onde ocorrem altas perdas de carga, maior que 0,030 m/m e simultaneamente estas redes possuem idade superior a 50 anos, o que é considerado a vida média das tubulações ainda que existam redes com idades superiores operando em condições aceitáveis (TARDELLI FILHO, 2004). LOPES et al (2008) afirma que, a tubulação sofre modificações internas devidas à corrosão, incrustação e tuberculização de forma a modificar a sua capacidade de transporte e as perdas de carga tendem a aumentar de forma significativa. Porção centro oeste, pressões acima de 50 m H 2 O ao longo das 24h Área Crítica VRP Mário Navarro da Costa VRP Estrada das Lágrimas Figura 29 Área crítica do Setor de Abastecimento Derivação Sacomã. Modelo às 12 horas. Com relação às pressões elevadas, pressões que ultrapassam o limite máximo de 50 m H 2 O, estas são observadas ao logo de todas as horas do dia, sendo mais evidentes às 4 horas, horário de menor demanda. A partir do modelo, nota-se que, inclusive nas áreas cobertas pelas VRPs Mário Navarro Costa onde o setor não está estanque, e VRP Estrada das Lágrimas, as pressões são elevadas tanto na hora de menor consumo, como na hora de maior consumo. 55

70 No caso da VRP Estrada das Lágrimas, após a coleta de dados de pressão à jusante da VRP, observou-se que seu controle de pressão estava ineficiente, sem a quebra de pressão esperada. Foi verificado em campo que o problema estava relacionado ao diafragma da válvula estar furado, estando este problema já solucionado. Observa-se também na porção centro oeste pressões acima de 50 m H 2 O ao longo de todas as horas do dia. Considerando as idades de rede elevadas, alto grau de urbanização somadas à pressões elevadas, aumenta-se significativamente a possibilidade de vazamentos. No caso da VRP Pilões, observam-se pressões acima dos 50 m H 2 O nos horários de menor consumo. No entanto, quando a demanda aumenta, as pressões ficam próximas ao limite mínimo admissível. Ainda que se trate de uma área coberta por VRP, as ligações ao norte pertencem ao setor Cambuci e estão temporariamente abastecidas pelo setor Derivação Sacomã devido a necessidade de recuperação da adutora Mooca-Cambuci. 56

71 Figura 30 - Situação da variação de pressão modelada às 0h (esquerda) e às 3h (direita). 57

72 Figura 31 - Situação da variação de pressão modelada às 6h (esquerda) e às 9h (direita). 58

73 Figura 32 - Situação da variação de pressão modelada às 12h (esquerda) e às 15h (direita). 59

74 Figura 33 - Situação da variação de pressão modelada às 18h (esquerda) e às 21h (direita). 60

75 Legenda Variação da perda de carga <= 0,010 m/m <= 0,020 m/m <= 0,030 m/m <= 0,040 m/m <= 0,050 m/m <= 1,095 m/m Figura 34 - Situação da variação da perda de carga modelada às 12h. 61

76 5.5. Combate às perdas Muitos países já reconhecem há muitos anos que a gestão efetiva de pressões é fundamental na gestão estratégica de controle de vazamentos (LAMBERT, 2002). Vairavamoorthy e Lumbers (1998) apud Marques (2013) recordaram que a inclusão das componentes de perdas de água como dependentes da pressão é a melhor forma de reduzir as perdas de água com recurso a técnicas de otimização. Haja visto que o setor Derivação Sacomã é abastecido através de uma derivação na adutora Cadiriri - São Caetano onde não há o controle da variações de pressões na entrada do sistema, uma alternativa seria a instalação de uma válvula redutora de pressão para o controle de pressões admissíveis. A gestão da pressão à entrada do sistema pode ser realizada através de diferentes tipos de dispositivos de redução de pressão: VRP com pressão fixa à saída, VRP modulada com o tempo e VRP modulada por pressão no ponto crítico (MARQUES, 2013). O controle das variações de pressão possui relevância em situações de variações bruscas pois isto, muitas vezes, pode ser mais prejudicial do que uma pressão continuamente elevada (THORTON et al, 2008). Observando a regulagem das VRPs existentes, é possível a determinação de um melhor ajuste de pressões, principalmente nas VRPs Mário Navarro da Costa e Estrada das Lágrimas devido à existência de pressões superiores a 50 m H 2 O na maior parte do dia. Considerando a regulagem da VRP Estrada das Lágrimas e suas pressões modeladas, um novo ajuste foi elaborado de forma a garantir a pressão mínima no ponto crítico da área coberta pela VRP e a maior redução de pressão possível nos pontos adjacentes. Como o controlador permite apenas o ajuste fixo de pressão de saída, a regulagem desejável é de 25 m H 2 O. Ainda, há a possibilidade de alterar o controlador de pressão da VRP de fixo à saída para um modulado por tempo e neste caso, o ajuste proposto é o ilustrado pela Figura 35 que apresenta um gráfico com as pressões de regulagem da VRP Estrada das Lágrimas iniciais e do ajuste proposto assim como as pressões modeladas no ponto crítico para as 24 horas. Com este ajuste, a pressão média de ajuste da VRP passaria dos atuais 35,4 m H 2 O para 20,2 m H 2 O, conforme aponta o modelo de simulação. 62

77 50 Ajuste - VRP Estrada das Lágrimas J Pressão Inicial J Pressão após ajustes Pressão na VRP antes do ajuste Pressão na VRP após o ajuste Figura 35 Ajuste das pressões da VRP Estrada das Lágrimas. Para a área coberta pela VRP Mário Navarro da Costa, observa-se um diferencial altimétrico de 16 m entre a VRP e o ponto crítico que se localiza próximo à entrada do setor, Figura 36, o que limitou o ajuste da válvula para 30 m H 2 O não sendo indicado um controlador modulado por tempo. Figura 36 Ilustração da localização e cota altimétrica entre a VRP Mário Navarro da Costa e seu ponto crítico. Outra alternativa é a alteração do limite da área coberta pela VRP Mário Navarro da Costa, excluindo estas áreas com cotas superiores ao da VRP e permitindo o ajuste da válvula para 16 m H 2 O, como ilustrado pela Figura 37. Para esta implementação, é necessário a instalação de uma válvula com a função de isolamento do setor. As demais válvulas já encontram-se instaladas. 63

78 Figura 37 Proposta de alteração do limite da área coberta pela VRP Mário Navarro da Costa. No caso da VRP Almirante Delamare, por estar com um ajuste de pressão de saída de 12,7 m H 2 O, muito próximo ao limite de pressão mínima, não é possível propor um novo ajuste para a VRP. Com relação à VRP Anny, é possível alterar a pressão de jusante de 22 m H 2 O para 14 m H 2 O, diminuindo as pressões na área coberta em sua área de influência. Para a VRP Pilões não foram elaboradas propostas de melhoria pois o limite de setor o qual a mesma está cobrindo será alterado após a recuperação da adutora Mooca-Cambuci, tornando-o regular. Para as pressões elevadas na porção centro oeste destacada na Figura 29, é recomendável a instalação de uma VRP que cubra esta área de forma a minimizar as pressões de operação. Considerando a aplicação dos ajustes das pressões de saídas das VRPs propostos, é possível estimar o volume de água a ser recuperado a partir da Equação (08). Os valores utilizados para o cálculo assim como os resultados encontram-se na Tabela 11. Observa-se que através da aplicação do novo ajuste da VRP Estrada das Lágrimas com controlador fixo, estima-se recuperar um volume de L/dia, reduzindo as perdas dentro do setor coberto pela VRP em 27,1%. No caso do controlador variável desta mesma VRP, o volume de recuperação estimado é de L/dia e uma redução das perdas de 43,5% das dentro da área de cobertura da VRP. Considerando os ajustes propostos para a VRP Mário Navarro da Costa em pressão de jusante em 30 m H 2 O e 16 m H 2 O, os volumes a serem recuperados são L/dia e 64