Saneamento Ambiental I. Aula 03 Vazões de Dimensionamento e Sistema de Captação

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1 Universidade Federal do Paraná Engenharia Ambiental Saneamento Ambiental I Aula 03 Vazões de Dimensionamento e Sistema de Captação Profª Heloise G. Knapik 1

2 Exemplos de Sistemas de Abastecimento de Água 75 mil habitantes 2

3 Exemplos de Sistemas de Abastecimento de Água 14 mil habitantes 3

4 Exemplos de Sistemas de Abastecimento de Água 4

5 5

6 6

7 Sistema Cantareira Produção: 33 m³/s (metade da demanda dos 19 milhões de habitantes da RMSP) Área aproximada de 228 mil hectares, abrangendo 12 municípios (4 em MG) Bacias: Piracicaba, Capivari e Jundiaí (Bacias PCJ) e transpostas para a região da Bacia do Alto Tietê 7

8 Demandas em uma instalação para abastecimento de água Qualidade, quantidade, pressão e continuidade Demanda atual e futura (alcance de projeto) Consumo no próprio sistema (limpeza de ETAs) Perdas no sistema

9 Demandas em uma instalação para abastecimento de água Variação temporal da vazão Coeficientes de Reforço K 1 e K 2 K 1 = maior consumo diário no ano consumo médio diário no ano K 2 = maior vazão horária no dia vazão média do dia

10 Vazões de Dimensionamento dos Componentes de um Sistema de Abastecimento de Água PRODUÇÃO DISTRIBUIÇÃO Dimensionamento Demanda máxima 10

11 Vazões de Dimensionamento dos Componentes de um Sistema de Abastecimento de Água Sistema de produção (montante do reservatório): Dimensionadas para atender a vazão média do dia de maior consumo do ano (K 1 ). Sistema de distribuição: Dimensionada para maior vazão de demanda, que é a hora de maior consumo do dia de maior consumo (K 1 K 2 ). Reservatório: Recebe a vazão constante (média do dia de maior consumo) e equilibra as variações horárias da demanda. ETA: Consome certa de 1 a 5% do volume tratado para lavagem dos filtros e decantadores. 11

12 Vazões de Dimensionamento dos Componentes de um Sistema de Abastecimento de Água Vazão média: Q = P. qpc Q = vazão média (L /s) P = população (hab) qpc = consumo per capita (L/hab. dia) 12

13 Vazões de Dimensionamento dos Componentes de um Sistema de Abastecimento de Água Cálculo do qpc: qpc = total de demanda total de população Micromedição (hidrômetros nas economias) Macromedição (saída do reservatório) Ausência de medições: qpc efetivamente consumido pelos usuários qpc utilizado no dimensionamento das unidades de um SAA valores médios tabelados ou de áreas semelhantes 13

14 Vazões de Dimensionamento dos Componentes de um Sistema de Abastecimento de Água Macromedição Micromedição qpc = volume consumido (macromedido) população abastecida (hab) q m = V C NE ND NH/L IP(%) = qpc q m qpc. 100 qpc: consumo per capita (L/hab dia) q m : consumo efetivo per capita de água (L/hab dia) IP: Índice de perdas (%) V C : volume consumido medido nos hidrômetros (micromedição) (L) NE: número médio de economias ND: número de dias da medição pelos hidrômetros NH/L: número de habitantes por ligação 14

15 Vazões de Dimensionamento dos Componentes de um Sistema de Abastecimento de Água qpc = média diária do volume anual consumido por uma população total de população Macromedição (saída do reservatório) qpc utilizado no dimensionamento das unidades de um SAA O valor do consumo per capita (qpc) representa a média diária, por indivíduo, dos volumes requeridos para satisfazer aos consumos doméstico, comercial, público e industrial, além das perdas do sistema. Unidade usual: L/hab.dia 15

16 Perdas de água: macro e micromedição Exemplo: Suponha que em um sistema tenha sido apurado um valor médio do consumo per capita micromedido de 100 L/hab.dia. Se tal sistema apresenta uma média histórica das perdas de 35%, o consumo per capita macromedido, o qual a capacidade das unidades do sistema deve comportar, será de 154 L/hab.dia. IP(%) = qpc q m qpc

17 Perdas de Água Perdas físicas ou reais Vazamentos nas tubulações de distribuição e das ligações prediais Extravasamento de reservatórios Operações de descargas nas redes de distribuição e limpeza dos reservatórios Perdas não físicas ou aparentes Ligações clandestinas By-pass irregular no ramal das ligações ( gato ) Problemas de micromedição (hidrômetros inoperantes ou com submedição, fraudes, erros de leitura, problemas na calibração dos hidrômetros, entre outros). 17

18 Vazões de Dimensionamento dos Componentes de um Sistema de Abastecimento de Água PRODUÇÃO DISTRIBUIÇÃO Q Prod = Q. K t 1 + C ETA + Q Esp Q AAT = Q. K t Q Dist = Q. K 1. K 2 + Q Esp + Q Esp

19 Vazões de Dimensionamento dos Componentes de um Sistema de Abastecimento de Água - Vazão da captação, estação elevatória e adutora até a ETA (L/s) Q Prod = Q. K t 1 + C ETA + Q Esp - Vazão da ETA até o reservatório: Adutora de Água Tratada (L/s) Q AAT = Q. K t + Q Esp - Vazão do reservatório até a rede (L/s) Q Dist = Q. K 1. K 2 + Q Esp C ETA = consumo de água na ETA (%) K 1 = coeficiente do dia de maior consumo K 2 = coeficiente da hora de maior consumo Q Esp = vazão singular de grande consumidor (L/s) Q = P.qpc = vazão média (L/s) qpc = consumo per capita (L/hab.dia) t = período de funcionamento da produção (h) 19

20 Vazões de Dimensionamento dos Componentes de um Sistema de Abastecimento de Água Particularidades: Alcance do projeto: pode haver diferenças entre as unidades do sistema, resultando em valores diferentes de população utilizada no dimensionamento 20

21 Vazões de Dimensionamento dos Componentes de um Sistema de Abastecimento de Água Exemplo: Calcular a vazão das unidades de um sistema de abastecimento de água, considerando os seguintes parâmetros: População para dimensionamento das unidades de produção, exceto adutoras (alcance 10 anos) = habitantes. População para dimensionamento de adutoras e rede de distribuição (alcance 20 anos) = habitantes. qpc = 200 L/hab.dia t = 16 horas q ETA = 3% K 1 = 1.2 K 2 = 1.5 Q S = 1.6 L/s 21

22 Captação de água Condições para a captação: Quantidade de água Qualidade da água Garantia de funcionamento Economia das instalações Localização 22

23 Captação de água Quantidade de Água A vazão é suficiente na estiagem Situação ideal Captação direta da correnteza Vazão suficiente, mas pouco nível: construção de barragem de nível (soleiras) É insuficiente na estiagem, mas suficiente na média O excesso de vazão nos períodos de cheia podem ser armazenados para o período de estiagem (barragem de regularização) Existe vazão, mas inferior ao consumo previsto Necessidade de buscar um outro manancial ou utilizar de forma complementar as vazões de outro manancial. 23

24 Captação de água Qualidade da Água Rios: Instalar a montante de descargas poluidoras Reservatórios: Nem tão superficiais, nem tão profundas (podem ocorrer problemas de natureza física, química e biológica) 24

25 Captação de água Qualidade da Água Natureza física: Superficialmente: ações físicas danosas (ventos, correntezas, impactos de corpos afluentes). Em profundidade: maior quantidade de sedimentos em suspensão (encarece ou dificulta a remoção da turbidez no processo de tratamento) Natureza química: Tendência na superfície de maior teor de dureza, de ferro e manganês Natureza biológica: Maior proliferação de algas nas camas superiores da massa de água (odor desagradável e gosto ruim). A profundidade da lâmina dependerá da zona fótica (presença de luz) Fundo dos lagos: massa biológica de plânctons. 25

26 Captação de água Garantia de funcionamento: Nível mínimo (para que a entrada de sucção permaneça sempre afogada) Nível máximo (para que não haja inundações danosas às instalações de captação) Velocidade de escoamento Estabilidade das estruturas Proteção contra correnteza Proteção contra desmoronamentos Proteção contra obstruções (utilização de grades, telas ou crivos) 26

27 Captação de água Economia nas instalações: Princípios básicos da engenharia: simplicidade, técnica e economia. Projeto da captação deve se guiar por soluções que envolvam o menor custo sem o sacrifício da funcionalidade. 27

28 Captação de água Economia nas instalações: Estudos prévios: Permanência natural das vazões no ponto de captação Velocidade da correnteza Natureza do leito de apoio das estruturas a serem edificadas Vida útil das edificações Facilidade de acesso e de instalação de todas as edificações necessárias (por exemplo, a estação de recalque, quando for o caso, depósitos, etc.) Flexibilidade física para futuras ampliações Custos de aquisição do terreno 28

29 Captação de água Localização: Situação ideal: menor percurso de adução com menores alturas de transposição pela mesma adutora no seu caminhamento 29

30 Captação de água Localização das Instalações Localização Rios Situação desejável Situação aceitável Situação incorreta 30

31 Captação de água Localização das Instalações Localização - Reservatórios Mais próximo possível da maciço de barramento: Há maior lâmina disponível Correntezas de menores velocidades Menor turbidez Condições mais favoráveis para captação por gravidade 31

32 Captação de água Localização das Instalações Localização Lagos naturais Em lagos naturais as captações devem ser instaladas, de preferência, em posições intermediárias entre as desembocaduras afluentes e o local de extravamento do lago 32

33 Captação de água de superfície Tipos Captação direta ou a fio de água Captação com barragem de regularização de nível de água Captação com reservatório de regularização de vazão destinado prioritariamente para abastecimento de água Captação em reservatórios ou lagos de usos múltiplos Captações não convencionais 33

34 Captação de água de superfície Dispositivos Dispositivos nas instalações de captação Tomada de água (presente em todo tipo de captação) Barragem de nível ou soleira (mananciais com lâmina mínima de água insuficiente) Reservatório de regularização de vazão (vazão mínima disponível menor que a vazão de captação) Grades e telas Desarenador (transporte intenso de sólidos) 34

35 Captação de água de superfície Dispositivos Tomada de água Função de conduzir a água do manancial até as demais partes do dispositivo de captação Tubulação de tomada Caixa de tomada Canal de derivação Poço de derivação Tomada de água com estrutura em balanço Captação flutuante Torre de tomada 35

36 Captação de água Tomada de água Tubulação de tomada Dispositivo de tomada de água constituído por tubulação simples, que conduz a água desde o manancial até a unidade seguinte 36

37 Captação de água Tomada de água Margens estáveis Margens sujeitas a erosão 37

38 Captação de água Tomada de água Margens instáveis Leitos rochosos com lâmina muito baixa 38

39 Captação de água Tomada de água Principais cuidados (Norma NBR 12213): Velocidade nas tubulações/canais da tomada de água não deve ser inferior a 0,60 m/s Prever dispositivo anti-vórtice Dimensionamento: Perda de carga na tubulação da tomada de água: Fórmula de Hazen-Williams Perda de cargas localizadas Perda de carga nos orifícios (tubos perfurados) 39

40 Captação de água Tomada de água Caixa de tomada Empregada quando o curso de água apresenta regime de escoamento torrencial ou rápido (risco para a estabilidade das estruturas) 40

41 Captação de água Tomada de água Caixa de tomada Não se aplica quando: Altura reduzida da lâmina de água mínima do manancial A calha molhada se afastar muito das margens no período de estiagem Excesso de algas no manancial (deverá ser adotada a tomada subsuperficial) São dotadas de grade na sua entrada: Proteção contra materiais suspensos 41

42 Captação de água Tomada de água Canal de Derivação Captações de médio ou grande porte (funcionam como caixa de tomada e canal de ligação para as unidades seguintes) Não se aplica a captações de pequena vazão devido à necessidade da velocidade mínima de 0,60 m/s Também são dotados de grade na sua entrada 42

43 Captação de água Tomada de água Poço de Derivação Tubulação construída na margem de rios ou ribeirões que seja inundável e que apresente declividades acentuadas 43

44 Captação de água Tomada de água Tomada de água com estrutura em balanço A tomada de água é feita por um conjunto moto-bomba submersível para água bruta, resistente à abrasão, que fica suspenso dentro do curso de água por meio de uma corrente integrada a uma talha que pode se movimentar ao longo de uma viga. Aplicação: - Rios pouco encaixados, com grande oscilação de nível de água (profundidade ou afastamento das margens) 44

45 Captação de água Tomada de água Captação flutuante Utilizada em lagos e represas ou em rios maiores e com regime de escoamento tranquilo ou fluvial (grande largura e profundidade) 45

46 Captação de água Tomada de água Captação flutuante Alternativa econômica em pequenas e médias comunidades: 46

47 Captação de água Tomada de água Captação flutuante Pode ser de três tipos: - Com motor e/ou bomba não submersíveis, instalados em balsa - Com conjunto moto bomba submersível suspenso por flutuadores - Com tomada de água flutuante 47

48 Captação de água Tomada de água Captação flutuante - Com motor e/ou bomba não submersíveis, instalados em balsa 48

49 Captação de água Tomada de água Captação flutuante - Com motor e/ou bomba não submersíveis, instalados em balsa 49

50 Captação de água Tomada de água Captação flutuante - Com conjunto motobomba submersível suspenso por flutuadores 50

51 Captação de água Tomada de água Captação flutuante - Com tomada de água flutuante 51

52 Captação de água Tomada de água Torre de Tomada Tomada de água é feita por meio de uma torre de grandes dimensões, com entradas de água em diferentes níveis 52

53 Captação de água Tomada de água Barragem de Nível 53

54 Captação de água Tomada de água Reservatório de regularização 54

55 Captação de água: Grades e Telas Dispositivos empregados em captações de água de superfície para reterem materiais flutuantes ou em suspensão de maiores dimensões Grades: barras paralelas destinam-se a impedir a passagem de materiais grosseiros Grade grosseira: espaçamento entre as barras de 7,5 a 15 cm Grade fina: espaçamento entre 2 e 4 cm Telas: fios formando malhas para reter os materiais flutuantes não retidos na grade Utilização obrigatória em captações à superfície da água (NBR ) 55

56 Captação de água: Desarenador Instalação complementar das captações de água de superfície utilizado quando o manancial apresenta transporte intenso de sólidos (NBR : > 1,0 g/l) Formato comum: seção retangular, com comprimento três vezes maior do que sua altura. Critérios de dimensionamento: sedimentação das partículas (velocidade de sedimentação, características do manancial) 56

57 Captação de água: Desarenador Localização: entre a tomada de água e a adutora Quantidade: preferencialmente duas unidades (uma unidade de reserva) Dimensionamento: Velocidade de sedimentação 0,021 m/s (para reterem partículas com D 0,2 mm) Velocidade de escoamento horizontal 0,30 m/s Comprimento do desarenador: deverá ser utilizado um coeficiente de segurança de, no mínimo, 1,5. 57

58 Captação de água superficial - Rios Captação superficial em rios - Desafios Comportamento do ciclo de chuvas Topografia Condição do leito e margens Material flutuante e submerso transportado 58

59 Captação de água superficial - Rios Captação superficial em rios - Topografia - Deve atender à variação de nível em função da vazão - Problemas com afundamento do canal ou formação de bancos de areia (mudança dos níveis operacionais) 59

60 Captação de água superficial - Rios Captação superficial em rios - Problemas Construção sobre flutuadores (problemas de projeto, falta de recursos): - Precariedade - Fragilidade - Muita gambiarra - Dificuldades de manutenção em períodos de cheias 60

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