USO DE UM MODELO MATEMÁTICO CALIBRADO PARA SIMULAR CENÁRIOS DE DEMANDA FUTURA EM UMA REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA DENTRO DE UM CAMPUS UNIVERSITÁRIO

Transcrição

1 USO DE UM MODELO MATEMÁTICO CALIBRADO PARA SIMULAR CENÁRIOS DE DEMANDA FUTURA EM UMA REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA DENTRO DE UM CAMPUS UNIVERSITÁRIO Alexandre Hitoshi Ito 1 *& Priscila Pini Pereira 2 & Ed Pinheiro Lima 3 & Evaristo Atencio Paredes 4 & Paulo Fernando Soares 5 & Sandro Rogério Lautenschlager 6 Resumo A modelagem é uma ferramenta que permite a análise hidráulica e contribui para a previsão do comportamento do sistema de distribuição. O objetivo deste trabalho foi simular cenários futuros de aumento de demanda e identificar os pontos críticos da rede de distribuição de água de uma Universidade. Para isso utilizou-se um modelo calibrado e o Software Water GEMS V8i. Considerando que a demanda possa dobrar nos próximos 10 anos com o início de novos cursos, verificou-se que existem pontos na rede de distribuição atual que não irão atender às pressões recomendadas em norma. Palavras-Chave Abastecimento de água; Simulação de Demanda de água, Modelagem hidráulica. USE OF A CALIBRATED MATHEMATICAL MODEL TO SIMULATE SCENARIOS OF A FUTURE DEMAND OF WATER DISTRIBUTION NETWORK OF AN UNIVERSITY CAMPUS Abstract Modeling is a tool that allows the hydraulic analysis and contributes to the prediction of the distribution system behavior. The objective of this research was to simulate future scenarios in increased of demand and identify the critical points in the water distribution network at an university. For this was used a calibrated model and the software Water GEMS V8i. Whereas demand may double over the next 10 years if new college was started so there will points in the current distribution network that will not attended the pressures recommended by standard. Keywords Water distribution, Water demand simulation; Hydraulic modeling. Universidade Estadual de Maringá, Programa de Pós-graduação em Engenharia Urbana, alexandreito2@gmail.com* 1, priscilapini90@gmail.com 2. Universidade Estadual de Maringá, Professor Doutor, eplima2@gmail.com 3,,evaristo@uem.br 4, pfsoares@uem.br 5, srlager@uem.br 6 XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 INTRODUÇÃO Para analisar o comportamento de uma rede de distribuição de água, devem ser considerados vários fatores relacionados à demanda e à qualidade da água, tais como pressão, vazão, topografia e concentração de cloro (COELHO et al., 2006). Devido à grande quantidade de informações, a utilização de ferramentas de análise hidráulica tem contribuído para agilizar e facilitar a previsão do comportamento do sistema de distribuição (CHEUNG, 2004). Formiga e Chaudhry (2008) explicam que, para satisfazer o problema hidráulico, as equações são não lineares e, assim, a solução direta só é possível em algumas situações especiais. Para a maioria dos casos, faz-se necessário o uso de métodos iterativos. Nestes métodos, é assumida uma solução aproximada em cada passo até que haja a convergência. Para aplicação dos modelos numéricos, a topologia da malha do sistema de distribuição é representada por linhas e nós. As linhas representam as tubulações e os nós representam componentes físicos que podem apresentar características de restrição de vazão ou mesmo a entrada ou saída, início e fim de cada trecho, por exemplo, registros e válvulas ou mesmo reservatórios e consumidores. A metodologia para o desenvolvimento de modelos consiste em aproveitar ao máximo os esforços e recursos investidos na geração e resolução do modelo. Coelho et al. (2006) apresentam todas as fases para a construção de um modelo, conforme ilustrado na figura 1. Fase A Planejamento Fase A do modelo Construção do modelo Fase B Descrição Fase Afísica do sistema Fase C Fase D Consumos Fase A Controle Fase operacional A Fase E Fase F Fase G implementação Fase A da solução base Calibração Fase A do modelo Exploração Fase A do modelo e planejamento da gestão futura Figura 1 Fases para construção de um modelo, Fonte: Coelho et al. (2006) A variação de demanda de água ao longo do dia e do ano em instituições de ensino superior é diferente daquela observada em sistema de distribuição de água (Rodrigues, 2013). Além disso, existem poucos trabalhos de modelagem do sistema de distribuição de água dentro dos campi universitários. Desta forma, o objetivo deste trabalho é o de simular cenários futuros de aumento de XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 demanda e de identificar os pontos críticos da rede de distribuição de água do campus sede da universidade usando um modelo calibrado para a rede de distribuição de água. METODOLOGIA A Figura 2 apresenta o modelo inicial da rede desenvolvido e calibrado por Rodrigues (2013) no software Water GEMS V8i. As linhas em azul representam a rede de distribuição de água e as linhas em vermelho a cota do terreno. Para calibrar o modelo, Rodrigues (2013) adotou uma demanda aleatória em alguns pontos no final da rede e realizou uma calibração com variação da demanda para ajustar aos dados de pressão monitorado em alguns nós. Para este trabalho, adotou-se uma demanda estimada em cada nó, conforme ilustrado na Figura 3 e na Tabela 2, e dados de pressão, sendo realizada a calibração do modelo com o ajuste das demandas. Para calibração, manteve-se a rugosidade da rede uniforme ao longo de toda a tubulação. Figura 2 Rede de distribuição de água da universidade (linhas em azul) e cota do terreno (linhas em vermelho). A Figura 3 demonstra as áreas de influência usadas para realizar a esqueletização da rede, bem como o número dos nós de cada área. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 Figura 3 Esqueletização da demanda de água em estudo onde os números representam os nós da rede adotado no modelo criado no WaterGems. Para o estudo usando a população total do campus, a partir dos dados informados pela universidade da quantidade de técnicos, docentes, alunos de graduação, pós-graduação, alunos da creche e ensino fundamental, estes foram, então, distribuídos nos blocos em que cada um está lotado. A demanda de água consumida pelos usuários foi estimada por meio de métodos estatísticos, resultando em um consumo de 46,48 L pessoa - ¹ dia - ¹, para o período de leituras entre 2011 e Na Tabela 2, apresenta-se cada nó de fim de trecho da rede e sua demanda atribuída de acordo com o levantamento realizado e o consumo de água em m³ dia - ¹. Tabela 2 Demanda atribuída as regiões da esqueletização Nó Demanda base Demanda base Demanda base (m³ dia -1 Nó ) (m³ dia -1 Nó ) (m³ dia -1 ) J-03 9,20 J ,65 J ,27 J-54 10,93 J ,64 J-165 2,62 J-59 20,03 J ,55 J ,25 J-61 10,98 J-122 8,98 J-214 3,04 J-74 48,45 J ,41 J ,38 J-77 14,87 J-137 9,39 J-242 8,91 J-81 10,99 J ,51 J-22 20,00 J-94 23,00 J ,53 Em seguida, a demanda foi alterada até ser observado um ou mais pontos em que o sistema apresentasse falta de abastecimento devido à falta de pressão na rede, permitindo, assim, o conhecimento sobre a vida útil do sistema de distribuição de água. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 RESULTADOS Na Figura 4 é apresentada a distribuição de pressão na rede após o modelo ser calibrado com os dados de demanda. Com o modelo calibrado, realizou-se uma simulação com o aumento de demanda nos nós. 1 1 Figura 4 Velocidade e Pressão na rede de distribuição Dados observados de 2011 a 2014 A calibração do modelo mostrada conforme o Figura 5 demonstrando a correlação entre os dados de pressão hidráulica simulado com a pressão hidráulica observado em campo, apresentando uma pressão máxima de 22,50m.c.a. como mostra a figura 6. Figura 5 Calibração Inicial XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 Figura 6 Pressão no ponto 1 Calibração Alterando a demanda, observou-se que quando atingido o dobro do consumo atual, o sistema apresentou um ponto com pressão negativa como é possível observar no ponto 1 e baixa pressão ponto 2 conforme ilustrado na figura Figura 7 Velocidade e Pressão na rede de distribuição Dobro da demanda Para o ponto 1 no gráfico da figura 8, é possível observar que para os instantes entre minutos até o minutos a pressão permanece negativa, tendo uma pressão máxima em todo o período de 21,50 m.c.a, conforme figura 9. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 Figura 8 Calibração com o dobro da demanda Figura 9 Pressão no ponto 1 Dobro da demanda Desta forma pode-se interpretar dos resultados que o crescimento de demanda em uma instituição de ensino depende fortemente da abertura de novos cursos ou aumento de vagas nos cursos existentes. CONCLUSÃO Em um cenário de condição futura, em que a demanda dobrou, a rede apresentou falhas na distribuição, o que demonstra a necessidade de um planejamento para a expansão da rede de distribuição para atender a situação do aumento da população em relação ao ano de XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 Uma das alternativas não exploradas neste trabalho, mas que pode ser considerado, é possibilidade de ligação de outros pontos de fornecimento de água, construção de novos reservatórios, alteração da rede para o sistema anelar. Portanto, caso a Universidade opte pela abertura de novos cursos ou aumento de vagas recomenda-se que estudos prévios sobre a capacidade da rede de distribuição de água sejam considerados. REFERÊNCIAS CHEUNG, P. B. Análise de reabilitação de Redes de Distribuição de Água para Abastecimento via Algoritmos Genéticos Multiobjetivo. Tese (Doutorado em Saneamento e Hidráulica) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, 286 p. São Carlos, COELHO, S.T., Loureiro, D. e ALEGRE, H. Modelação e Análise de Sistemas de Abastecimento de Água Instituto Regularizador de Águas e Resíduos Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Portugal, FORMIGA, M. e CHAUGHRY, F.H., Modelos de Análise Hidráulica de Redes de Distribuição de Água Considerando Demanda Dirigida Pela Pressão e Vazamento, Revista Eng. Sanitária e Meio Ambiente, Vol. 13 Nº2 abr/jun 2008, pg SANEPAR. Manual de Projetos Hidrossanitários. Curitiba, Disponível em: < Acesso em 5 jan RODRIGUES, K. P., Calibração De Modelo Hidráulico Para Monitoramento De Redes De Distribuição De Água: Estudo Da Rede De Distribuição De Água Da Universidade Estadual De Maringá, Dissertação de Mestrado Universidade Estadual de Maringá, Maringá, ROSSMAN, L. A.; BOULOS, P. F. Numerical Methods for Modeling Water Quality in Distribution Systems: a Comparison. Journal of Water Resources Planning and Management, v. 122, n. 2, mar/abr XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8