I-163 APLICAÇÃO DE METODOLOGIAS PARA DETERMINAÇÃO E REDUÇÃO DE PERDAS FÍSICAS DE ÁGUA

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1 22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro Joinville - Santa Catarina I-163 APLICAÇÃO DE METODOLOGIAS PARA DETERMINAÇÃO E REDUÇÃO DE PERDAS FÍSICAS DE ÁGUA José Vilmar Viegas (1) Engenheiro Civil pela PUCRS-Pontifícia Universidade Católica, Mestre em Recursos Hídrico s e Engenharia Ambiental pela Universidade Federal de Santa Maria UFSM, Superintendente Adjunto Região Central-CORSAN. Maria do Carmo Cauduro Gastaldini Universidade Federal de Santa Maria - UFSM Marcio Ferreira Paz Universidade Federal de Santa Maria - UFSM Lidiane Bittencourt Barroso Universidade Federal de Santa Maria - UFSM Endereço(1): Rua Solon Eneas Flores, 09 Vila Rolim Santa Maria - RS - CEP: Brasil - Tel: (55) jvviegas@terra.com.br RESUMO Os sistemas de abastecimento de água operam, normalmente, com uma perda elevada que é incompatível com uma gestão racional e eficiente. As perdas são temas de permanente discussão nas empresas mas, de uma maneira geral, a sua gestão tem se mostrado ineficiente apesar dos esforços em recursos humanos e financeiros para reduzi-las.

2 Freqüentemente, os diagnósticos apontam problemas na gestão das atividades de manutenção da rede, pressão excessivas na rede, redes de abastecimentos apresentando má qualidade e inexistência de controle de vazamentos, porém, o desconhecimento das causas, das componentes e da quantificação das perdas é o principal problema para definir ações eficientes de redução. O propósito deste trabalho é demonstrar a aplicabilidade de uma metodologia para elaborar um diagnóstico preciso das perdas físicas de água, a quantificação das perdas físicas e não físicas e adotar as ações derivadas deste diagnóstico de acordo com uma metodologia definida. Na etapa do diagnóstico, as perdas físicas de um setor de abastecimento serão estimadas pelo método Fator Noite-Dia que estabelece uma relação entre a perda noturna e a perda diária. A determinação do FND-fator Noite Dia se utilizará do parâmetro N e dos resultados das pressões médias do setor modelados pela simulação hidráulica do modelo EPANET já utilizado anteriormente para avaliar a convergência dos resultados neste setor de abastecimento. A redução de perdas físicas foram obtidas com a implantação de uma metodologia que combina simultaneamente a melhoria da qualidade dos reparos, controle e gerenciamento de pressão, controle de vazamentos ativos e melhoria da infra-estrutura instalada. PALAVRAS-CHAVE: Perda de água, Perda Física, Fator Noite-Dia, INTRODUÇÃO Os indicadores de perdas dos sistemas brasileiros são estimados através de uma metodologia que faz um balanço dos volumes distribuídos e consumidos no sistema gerando um indicador que não permite quantificar as componentes das perdas ( físicas e não físicas) que é fundamental para definir e quantificar os planos de ação de redução das perdas. Neste trabalho, iremos abordar a metodologia adotada na condução das ações que visam a redução de perdas físicas de água em um setor de abastecimento selecionado para os ensaios. Dentre os procedimentos adotados cabe destacar o seguinte: A estimativa das perdas físicas foram obtidas com a utilização do método FND-Fator Noite-Dia que relaciona a vazão mínima noturna com a vazão média através de um fator horário. Os consumos noturnos foram estimados através dos resultados das simulações hidráulicas do modelo EPANET e comparações com referencias da literatura internacional.

3 A perda física inerente - UARL - foi estimada conforme determina a metodologia desenvolvida pela IWA (2000) que representa a parcela inerente das perdas e serve para indicar as condições da infra-estrutura existente ILI. As ações desenvolvidas para reduzir as potenciais perdas físicas obedeceram o método proposto por Lambert(2000) que propõe quatro ações simultaneamente: Qualidade e velocidade nos reparos, controle de vazamentos ativos, gerenciamento de pressão e melhoria na infra-estrutura da rede de distribuição. PERDAS CORRENTES MÉTODO FND FATOR NOITE-DIA O método de cálculo FND-Fator Noite-Dia é utilizado para determinar perdas físicas diárias de água a partir do fator FND que representa a relação entre a perda mínima noturna (período de 1 hora) e a perda média diária descrita a seguir: Determinar as pressões médias horárias do setor aplicando as propriedades disponíveis no EPANET 2.0 a partir da base de dados observados de vazão e pressão calibrados. A pressão média horária é estimada pela média das pressões calibradas de todas as junções no intervalo de 1 hora conforme equação 1 e 2: equação (1) equação (2) sendo : a pressão média na junção K no horário entre I e J variando entre 0:00,1:00,2:00,3:00,...24:00 a pressão média na junção K no horário I com I variando entre 0:00,1:00,2:00,3:00,...24:00 a pressão média na junção K no horário J com J variando entre 0:00,1:00,2:00,3:00,...24:00 a média da pressão de todas as junções k no horário I com I variando de 0:00, 1: :00 a pressão na junção k com k variando de 1, 2...m A vazão mínima noturna medida é a referência para determinar a perda noturna para um período de 1 hora no intervalo entre 3:00 e 4:00 horas. A perda noturna na rede de distribuição QNPD foi estimada através da diferença entre a vazão mínima noturna e o consumo noturno avaliado através do modelo EPANET.

4 Adotar o expoente N já calculado para este setor com valor de N= 0,611. De posse dos dados das pressões médias horárias PMS, da perda mínima noturna QNPD e do expoente N pode-se desenvolver o cálculo conforme segue: equação (3) equação (4) equação (5) sendo: Fator Noite Dia expresso em horas pressão média no intervalo de 1 hora (0:00 1:00) em m.c.a. pressão no período de mínima vazão noturna em m.c.a. vazão de perdas diária de água em L/s vazão de perdas no período de mínima noturna em L/s N expoente N estimado pelo método PERDAS INERENTES - UARL As perdas inerentes representam o somatório das menores perdas físicas que podem ocorrer por número de ligação e por extensão de rede em sistemas que possuem excelentes condições de infra-estrutura e um eficiente controle de perdas. A estimativa da perda mínima noturna inerente, quando não existir rompimentos e apresentar bom gerenciamento de vazamentos, pode ser calculada conforme proposto por WRC(1994): UARL (l/ h) = (C1 * L + ( C2 + C3 ) * NL ) * FCP equação(6) Onde: LComprimento da rede em Km NLNúmero de ligações. PMNSPressão Média Noturna do Setor em m.c.a. FCPFator de correção de pressão obtido do quadro 1

5 C1, C2, C3Coeficientes que representam as condições de infra-estrutura do gerenciamento da manutenção conforme quadro 1. Quadro 1- Parametros dos componentes das Perdas Inerentes Componentes perdas inerentes Units Mínima Média Alta C1 = rede distribuição C2 = Ramal predial C3 = Ramal predial interno L/h/Km L/h/lig L/h/lig 20 1,5 0,5 40 3,0 1,0 60 4,5 1,5

6 O combate eficiente às perdas necessita ser monitorado e orientado por um conjunto de indicadores operacionais que possam refletir realisticamente as perdas físicas. Os indicadores propostos pela IWA ( 2000) permite este gerenciamento com bons resultados. Na analise dos indicadores é importante interpretar com clareza os níveis que considera-se as perdas correntes elevadas, em que as perdas devem ser recuperadas e os níveis máximos admissíveis de aceitabilidade dos volumes de perdas. Os indicadores utilizados estão descritos a seguir: ILI = a relação entre as perdas físicas correntes anuais do sistema (CARL) e as perdas físicas anuais inevitáveis (UARL). CARL Perdas Físicas Correntes Anuais obtidas, neste estudo, pelo método FND-Fator Noite-Dia e transformada em perdas anuais expressa em L/lig/dia. UARL Perdas Físicas Anuais Inevitáveis representada pelo somatório de pequenas perdas em ramais e redes de distribuição em boas condições de operação do sistema expressa em L/lig/dia O indicador ILI representa um índice de perdas físicas possíveis de serem recuperadas até o limite das perdas inerentes onde os limites recomendados dependem das condições específicas do setor. GERENCIAMENTO DAS PERDAS FÍSICAS A implantação de um conjunto de indicadores de perdas físicas justifica-se pela necessidade da tomada de decisão sobre a abrangência das ações de redução de perdas de tal maneira que racionalize-se os esforços para apresentar êxito nos resultados. As diferentes formas de vazamentos, cada qual com uma faixa diferente de vazão, mostram que existem vários fatores que se relacionam com vazamento na rede de distribuição, dos quais podemos destacar que a pressão é o fator que pode afetar a perda de água na forma de vazão de vazamento, freqüência de rompimentos, localização de vazamentos, alteração de pressão e pressão cíclica. O movimento de solo, a deterioração da rede principal, características do solo e tráfego pesado, também são fatores importantes nas perdas das tubulações que devem ser avaliadas tecnicamente. A metodologia adotada para a recuperação das perdas correntes em um setor de abastecimento está fundamentada nas ações ilustradas na figura 1 e descritas a seguir: Gerenciamento de Pressão

7 Qualidade e Rapidez na Manutenção Controle de Vazamentos Ativos Substituição, Recuperação e Melhorias da Rede de Distribuição Figura 1 Diagrama de gerenciamento de Perdas Físicas de Água CARACTERIZAÇÃO DO SETOR DE ABASTECIMENTO Os estudos para aplicar a metodologia de estimativa de perdas físicas foram realizados no setor de abastecimento denominado Bairro N. S. Lourdes, na zona central da cidade, conforme representado na figura 2. O setor selecionado apresenta as seguintes características: Figura 2 Localização do bairro N.S.Lourdes Corsan(2002) Estanqueidade hidráulica do setor em função do sistema de abastecimento já contar com uma macro setorização formada por 11 setores perfeitamente delineado. Implantação de um projeto de micro-setorização constituindo um conjuntos de 12 distritos de operação perfeitamente estanques operado por válvula. Controle operacional é feito através de macromedição permanente com coleta de dados diariamente permitindo determinar as vazões médias e noturnas. Gerenciamento da pressão é feito por uma válvula redutora de pressão - VRP- com unidade controladora para modelação temporal, mantendo o controle permanente das pressões da rede em padrões preestabelecidos. Medições de vazão e pressão através de estação pitometrica instaladas na tubulação principal referente ao inicio do setor. A rede de distribuição é formada por tubulações PVC e Fibro-Cimento nas bitolas de 60 mm até 300 mm totalizando metros. A composição dos imóveis é preponderantemente de imóveis residenciais, classe média alta, sem consumo industrial e com alto índice de reservatórios domiciliares. RESULTADOS

8 A apresentação dos resultados foi subdividida em cinco seções, sendo a; na segunda a estimativa de vazão de consumo mínimo noturno- CMN; na terceira a aplicação do método FND - Fator Noite-Dia, na quarta a determinação de perdas físicas inevitáveis- UARL e na Quinta os resultados das atividades de recuperação de perdas (controle de vazamentos ativos) primeira referente à determinação das perdas de água pelo método "Balanço Anual de Água". PERDAS DE ÁGUA- MÉTODO BALANÇO ANUAL DE ÁGUA A metodologia adotada para estimar perdas de água nos sistemas de abastecimento é o "Balanço de Água" que faz uma relação entre os volumes distribuído e o autorizado para consumo. O procedimento recomendado para reduzir os níveis de incerteza na análise de perdas de água é considerar o período de 6 meses como o ciclo ideal de avaliação. Os valores das perdas no setor de distribuição objeto do estudo, para o período de Julho/2001 à março/2003, que consta nos relatórios operacionais da CORSAN são os seguintes: Quadro 2 Demonstrativo do Balanço de Àgua A interpretação destes valores mostrou a existência de perdas de água no setor, no período de 07/2001 às 10/2002 indicando as indicam a necessidade de complementar o diagnóstico com metodologias adequadas ara determinar as perdas físicas e não físicas deste período. CONSUMO MÍNIMO NOTURNO A determinação do consumo noturno, no período de QMN (vazão mínima noturna) é fundamental para a aplicação da metodologia FND. Estudos e pesquisas indicam a existência de consumos noturnos (período 3:00-4:00 horas) nos setores de abastecimento dos quais destaca-se os experimentos realizados no Report F por Arscott at al. (1994), Thornton, Seuaciuc & Lambert (1997) e Sanchez & Motta (2000). Atualmente, utiliza-se vários métodos de estimar consumo noturno, porém, neste trabalho, adotou-se os valores computados pelo modelo EPANET que estimou as vazões de consumo noturno para um período de 72 hora. Os valores da vazão computada pelo modelo EPANET, para este setor de distribuição, demonstram que no período de 3:00 à 4:00 horas a vazão mínima noturna foi de no setor de 4,94 L/s para 08/2001 e 6,81 L/s para 02/2002 o que representa uma vazão unitária de 10,39 L/h/Ec e 11,74 L/h/Ec respectivamente. Estes valores são ligeiramente superiores aos referenciados na literatura mas adotou-se devido as características do setor.

9 METODO FND- FATOR NOITE-DIA A estimativa das perdas físicas pelo método FND-Fator Noite-Dia depende do expoente N que seja característico do setor, da perda mínima noturna - QNPR - no período de QMN e das pressões médias horárias obtidas através da calibração do modelo EPANET. Quadro 3 Método Fator Noite-Dia Cabe ressaltar, que para calcular o Fator Noite Dia - FND adotamos o expoente N=0,611 que é característico deste setor por estudos já realizados anteriormente. As pressões médias do setor são os valores gerados pelo modelo EPANET que tiveram variação horária de 32,12 para 40,09 mca no período de julho/2001 e no período de fevereiro/2002 de 28,69 para 35,88 mca. O valor do FND de 23,39 h e 23,18 h indica que a variação de pressão na rede é pequena e que a vazão de vazamento horária é praticamente constante. A estimativa da perda mínima noturna foi obtida através da diferença entre a vazão (medida) e o consumo noturno estimado pelo modelo EPANET. PERDAS INERENTES No período do desenvolvimento do projeto adotamos o procedimento de monitorar os dados que permitissem calcular as perdas inerentes do setor. As perdas foram calculadas adotando os parâmetros propostos por WRC- Water Reaserch Center em seu Report E e estão demonstrados a seguir: Quadro 4- Estimativa de Perda Noturna Inerente Os valores mostraram que as ações de combate às perdas no final de 2002 e em 2003 resultaram em uma diminuição de perdas físicas que representaram uma redução do ILI de 15 para 4,7 o que significa um padrão aceitável para as condições de operação deste setor. REDUÇÃO E CONTROLE DE VAZAMENTOS

10 Os resultados apresentados pela aplicação das metodologias FND-Fator Noite-Dia combinado com a estimativa de perdas inerentes-uarl indicam a existência de vazão potencial de vazamentos em torno de 12,4 L/s segundo o FND-Fator Noite-Dia, de 13,1L/s de perda noturna segundo dados coletados e o Índice de Infra-estrutura de Vazamentos ILI=15,4. Os dados confirmam a necessidade de redução e controle de vazamentos e as ações foram implementadas de acordo com a metodologia descrita a seguir: Gerenciamento de pressão A pressão média da rede foi mantida permanentemente sob a modelação da VRP regulada para operar de acordo com o perfil de vazão mostrado na figura 3. A VRP é monitorada em intervalos de 15 dias para avaliar a manutenção dos padrões estipulados que é fundamental para a sustentabilidade dos níveis de perdas. Figura 3 Perfil de Pressão Qualidade e Rapidez da Manutenção Os serviços de manutenção devido a rompimentos nas redes e ramais foram priorizados para este setor a fim de reduzir os tempos de atendimento. Nesta atividade, ainda estão sendo melhorados os procedimentos e os materiais utilizados na execução dos reparos para reduzir os volumes perdidos nos serviços de manutenção. Controle de Vazamentos Ativos A atividade de detecção de vazamentos ativos é importante para reduzir os níveis de perdas físicas devido a uma grande parte da perda ser sob a forma de tubulações com vazamentos sem aflorar na superfície. Os vazamentos não visíveis normalmente são de baixa ou média vazão mas de grande duração gerando uma perda elevada de volume. As ações de detecção de vazamentos das redes e ramais do setor foram implantadas conforme a seguinte o que segue: Analise do ILI O Índice de Vazamento de Infra-estrutura calculado para o setor indica a necessidade do inicio das ações para redução das vazões de perdas correntes. Neste trabalho, o limite estipulado foi de ILI= 5,0 e o resultado inicial foi de 15,4. Rastreamento em todas os ramais prediais com o uso de equipamento eletrónico (haste eletrônica) para detectar fugas nos ramais prediais e nos pontos suspeitos das redes de distribuição. Os serviços de rastreamento foram executados em 3 períodos ( 10/2002, 01/2003, 03/2003) conforme os seguintes resultados: Quadro 5- Relatório de Controle de Vazamentos Ativos

11 Testes de Vazões Noturnas - Após a correção de todos os vazamentos detectados pelas equipes que executaram os serviços de detecção foi implantada uma sistemática de testes de vazão noturna nos sub-setores, com o uso de equipamento de medição de vazão combinada com manobras de válvulas nos 11 sub-setores existentes na rede conforme figura 4. O teste deve ser executado no período de vazão mínima horária, entre 3:00 à 4:00 horas, com o objetivo de identificar onde pode existir vazões de sub-setores que se configure vazamentos em potencial. A metodologia adotada está descrita a seguir: Figura 4 Demonstrativos dos Sub-Setores Medição de vazão com a execução simultânea de manobras das válvulas que interrompem o fluxo para o interior do sub-setor. O teste caracteriza-se por medir a diferença da vazão antes e após o fechamento da válvula permitindo estimar a vazão de operação do sub-setor. Quadro 6- Relatório de Testes de Vazão Mínima Noturna por Sub-Setres Os testes são realizados sempre que houver a suspeita da existência de vazamentos não detectados nos serviços de rastreamento. Neste trabalho, os testes de vazão noturnas apresentaram os resultados descrito na quadro 6. Os resultados dos testes indicam que os sub-setores 11-1,11-2,11-3,11-4,11-6,11-8 não apresentaram suspeitas de vazamentos pois as vazões medidas são desprezíveis, os subsetores 11-5,11-9,11-10,11-11 apresentaram vazões indicando ser consumo noturno e pequenos vazamentos mas o sub-setor 7 apresentou vazão de 3,45 L/s sendo uma área com potencial de vazamento remanescente sendo recomendável uma investigação acústica detalhada com o uso de geofones e correlacionador de ruídos nos trechos correspondentes do setor Após a etapa de reparo dos vazamentos detectados e das vazões de perdas noturnas reduzirem ao patamar estabelecido pelo indicador ILI < 5,0 iniciou-se um procedimento de monitorar a vazão mínima noturna através de coletas diárias do dados do macromedidor do setor com o objetivo de acompanhar a evolução da vazão noturna. Melhoria da infra-estrutura A rede de distribuição de água deste setor é constituída por metros de PVC e em Fibro-Cimento. Após o sistema operar com a modelação da VRP foi analisado as causas da incidências de rompimentos e observou-se uma combinação de má qualidade dos materiais da tubulação (Fibro-Cimento), tubulações assentadas em trechos de transito intenso e material de suporte com baixo nível de resistência.

12 A solução adotada foi de iniciar um projeto de substituição de redes de fibro cimento por PVC assentadas nos passeios públicos que visam evitar cargas externas ( transito intenso). Atualmente, foram substituídos 3200 metros de rede e já há um projeto complementar de substituição de 5600 metros conforme mostra a figura 8 CONCLUSÕES O método FND- Fator Noite-Dia, que foi calculado usando o expoente N, a perda física noturna e as pressões medias horárias através de estimativas já realizadas neste setor com a utilização do modelo EPANET, apresentou resultados indicando ser um bom método para estimar perdas físicas. As pressões médias do setor foram obtidas dos valores calculados pelo modelo EPANET devido a ser a melhor aproximação da realidade e permitir uma perfeita visualização das variações de pressão ao longo do dia em todos as junções do setor. A perda diária calculada a partir do FND apresentou resultados com boa precisão sendo um importante instrumento de determinação de perdas físicas pela sua simplicidade no cálculo. As atividades de redução de vazamentos ativos através do rastreamento de todos as ligações e trechos suspeitos da rede de distribuição foram fundamentais para a redução das perdas físicas. Esta redução está demonstrada nas figuras 4 e 5 que mostram a evolução dos índices de perdas e o patamar final em torno de 31%. Figura 4 Demonstrativo do Perfil do VDU Figura 5 Demonstrativo do Perfil do VDU x VU Os resultados permitem recomendar que o combate às perdas físicas em um setor de abastecimento deve seguir uma metodologia que sistematize as ações descritas a seguir: Determinar as perdas médias do setor utilizando o método " Balanço de Água" com dados que apresente boa confiablidade. Estimar as perdas físicas do setor com a utilização do método FNF- Fator Noite-Dia com parâmetros obtidos com a aplicação de metodologias adequadas. Estimar o consumo mínimo noturno através dos métodos disponíveis ou o uso de referencias da literatura que possam ser aproveitados.

13 Determinar a perda noturna inerente e o Índice de Infra-estrutura de Vazamentos- ILI para identificar o real potencial das perdas físicas em um setor. Implantar uma sistemática de rastreamento de vazamentos não aparentes com o uso de equipamentos adequados, como, haste eletrônica, geofones eletrônicos e correlacionador de ruídos. Efetuar testes de Vazão Noturna para auditar as vazões noturnas dos sub-setores para identificar as a existência de potenciais vazamentos. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1LAMBERT, A. What do we know about Pressure:Leakage Relationships in Distribution Systems? IWA Conference on System Approach to Leakage Control and Water Distribution Systems Management, ARSCOTT, A.; LAMBERT, A.; MORRISON, J at al. Section 5- A metodology for estimating background minimum night flows in individual DMAs. UK. Managing Leakage: Report E-Interpreting Measured Night Flows, Water Research Center, p25-28, LAMBERT, A.; MYERS, S.; TROW, S. Leakage Management Timescales. In:.Managing Water Leakage-Economical and technical issues. London, Financial Times Business Limited, 1998, cap.2, p GONÇALVES, E.; JUMOR,G.C.A.; OLIVEIRA, M.J.; GIJIMARAES, C. G. Determinação e Controle de Perdas na Distribuição de Água através do Monitoramento da Vazão Mínima Noturna. In: SIMPÓSIO LUSO-BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA AMBIENTAL, Porto Seguro, 2000.