A DETECÇÃO SISTEMÁTICA DE FUGAS NA REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE LISBOA E O PROJECTO SPRINT

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1 A DETECÇÃO SISTEMÁTICA DE FUGAS NA REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE LISBOA E O PROJECTO SPRINT Maria da Conceição S. R. Soares de Almeida (1) Engenheira Civil pelo Instituto Superior Técnico de Lisboa. Directora Adjunta da Direcção da Rede de Lisboa da EPAL - Empresa Portuguesa das Águas Livres, S.A. Paulo Sérgio de Brito Rodrigues Engenheiro Civil pelo Instituto Superior Técnico de Lisboa. Técnico da Direcção da Rede de Lisboa da EPAL, S.A. João Nuno S. L. Costa Abraços Engenheiro Civil pelo Instituto Superior Técnico de Lisboa. Técnico da Direcção da Rede de Lisboa da EPAL, S.A. Endereço (1) : Avenida de Berlim, n o Lisboa - Portugal - Tel/Fax: (31) RESUMO A presente comunicação sintetiza os resultados de um trabalho relativo a controlo de perdas de água em condutas e orgãos da rede de distribuição, realizado pela EPAL, S.A., em 199 e 1996, no âmbito do projecto SPRINT, em 3 áreas piloto seleccionadas à rede de Lisboa (uma no Bairro da Encarnação com 1.7 consumidores, outra no Bairro Madre de Deus cuja malha incluiu contadores e a última área na zona do Castelo de S. Jorge que abastece 4.82 clientes) e a implementação progressiva de uma política de controlo sistemático de fugas à restante rede de distribuição. Neste trabalho explicitam-se as tarefas desenvolvidas e a metodologia de abordagem utilizada, as quais não foram idênticas para as três áreas estudadas. PALAVRAS-CHAVE: Controle de Perdas, Zona Medição e Controlo, Caudal Mínimo Nocturno, Nível Optímo de Fugas, Detecção e Localização. INTRODUÇÃO Num inquérito recentemente realizado aos quase 1 membros dos Comités da Divisão de Distribuição da Associação Internacional dos Serviços de Água (IWSA), era solicitado aos inquiridos que indicassem, por ordem de preferência, os temas a serem tratados prioritariamente pela Associação. Os resultados foram expressivos: a avaliação do desempenho dos sistemas e o controlo de perdas de água foram, de longe, os temas mais frequentemente apontados como prioritários, com vantagens para o primeiro. (Alegre e Baptista em Indicadores de desempenho de sistemas de abastecimento de água: uma questão de moda ou de necessidade?, Revista da Indústria da Água, Outubro de 1997). 2 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 18

2 É opinião de especialistas de vários países (conforme podemos confirmar nos seus trabalhos apresentados no workshop Performance indicators for transmission and distribution systems realizado em Maio de 1997, em Portugal, no LNEC), considerarem as perdas de água e fugas nas redes de distribuição relacionadas com os indicadores mais utilizados a nível internacional. Assim, sendo as perdas um factor a considerar na avaliação do desempenho dos sistemas, mais se justifica o interesse deste tema. O controlo sistemático dos volumes de água não contabilizados nas redes de distribuição de água e em particular a detecção e localização de fugas, constitui actualmente uma das actividades prioritárias das entidades gestoras que pretendem gerir de forma eficiente os sistemas. Apesar dos técnicos da EPAL,S.A. empregarem desde há vários anos as técnicas de detecção e localização de fugas na rede de distribuição de Lisboa, a participação no projecto SPRINT foi decidida com vista a actualização dos seus conhecimentos nesta área e à tomada de contacto com as metodologias utilizadas na Europa, situação esta que se insere na linha de permanente modernização da Empresa e que tem como objectivo assegurar a máxima eficácia na gestão do seu Sistema. Este estudo seguiu-se às implementações do modelo matemático da rede de distribuição, do sistema de telegestão, do cadastro informatizado e antecedeu o mais recente projecto relativo ao sistema de informação da manutenção. O SPRINT é um programa estabelecido pela União Europeia que tem como objectivo promover a transferência de tecnologia na Europa. O SPRINT 27 Managing Water Supply Systems and Leakage Control incentiva o uso de técnicas modernas de detecção e localização de fugas em áreas piloto situadas em diversos países (Portugal, Alemanha, Espanha, Grécia e Irlanda), e a elaboração de manuais de apoio, com vista à adopção de estratégias concertadas de controlo de perdas de água em sistemas de distribuição. O Projecto teve como parceiros portugueses a EPAL Empresa Portuguesa das Águas Livres, S.A. e o LNEC - Laboratório Nacional de Engenharia Civil e foi coordenado por uma empresa de consultadoria inglesa. ESTABELECIMENTO DAS ZONAS DE MEDIÇÃO E CONTROLO (ZMC) Estas zonas são a base da implementação de uma política de detecção e localização de fugas. Podem definir-se como áreas da rede de distribuição inequivocamente estabelecidas através do fecho de válvulas e nas quais as entradas e saídas de água das zonas são registadas, em campanhas temporárias periódicas ou em campanhas permanentes de medição de caudais. A dimensão aconselhada de uma ZMC varia entre os 1. e os 2. consumidores, sendo necessário possuir informação detalhada sobre a natureza e o número de clientes abrangidos pela área. 2 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 181

3 Para o estabelecimento das ZMC nas áreas piloto procedeu-se previamente à verificação, reparação, substituição e fecho das válvulas de fronteira, para se obter áreas completamente isoladas, sem trocas de caudais não controlados, e instalaram-se contadores nas respectivas entradas de caudal, equipados com data-loggers permitindo dispor do registo de dados relativos ao caudal e à pressão. Nas Zonas de Medição e Controlo efectuam-se estudos de perdas de água através da análise do comportamento dos caudais e dos consumos que lhe estão subjacentes. É comum associar os caudais ocorridos durante a noite aos caudais perdidos por fuga. A observação regular dos caudais minímos nocturnos permite detectar súbitas variações (aumentos), proporcionando uma ferramenta valiosa para o estudo da evolução dos níveis de fugas com o tempo. De seguida procede-se à detecção e reparação das roturas encontradas. Para cada zona é então definido o nível óptimo de fugas. Em teoria existe um nível económico óptimo, o qual envolve o balanço do custo de água perdida através das fugas contra o custo da detecção, localização e reparação das fugas. IDENTIFICAÇÃO DOS CONSUMOS EM CADA ÁREA PILOTO A avaliação de perdas de água em sistemas de distribuição traduz-se na diferença da água que é fornecida ao sistema e que não é facturada. A medição de caudal nos locais de entrada de água na rede e a montante dos locais de consumo não é suficiente para avaliar as fugas dos sistemas (associadas aos reservatórios, às condutas e orgãos da rede), pois existem outros factores que contribuem para as perdas: - erros de leitura associados aos aparelhos de medição (macro e micro); - consumos efectivos que não são contabilizados nem estimados (ex: consumos municipais); - ligações clandestinas à rede (água furtada); - descargas nos sistemas (decorrentes da ocorrência de roturas ou efectuadas para lavagem das condutas). Para todas as ZMC s é necessário efectuar o levantamento das ruas abrangidas, sendo igualmente importante o tipo e número de consumidores a elas afectos e os respectivos caudais associados. Identificaram-se os grandes consumidores (MAJ) como sendo os que apresentam um consumo anual superior a 8. m 3 e estudaram-se os seus hábitos de consumo, através da utilização de data-loggers nos medidores de caudal existentes ou através da leitura diária dos contadores instalados não compativel com data-loggers, obtendo-se assim a curva característica do consumo total dos grandes consumidores, apresentada na figura 1. Para a área piloto do Castelo de S. Jorge, em que se desenvolveu um modelo matemático para permitir o estudo do comportamento hidráulico da rede em regime dinâmico, foi necessário definir as curvas características do consumo para as cinco diferentes classes consideradas (Doméstico, Industrial, Rega, Perda e MAJ ). Em cada nó efectuou-se o somatório dos consumos discriminados pelas diferentes classes. 2 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 182

4 As curvas de consumo para as classes Perda e Rega foram consideradas constantes, independentemente da variação de pressão que a malha em estudo está sujeita. A curva de consumo Industrial foi definida tendo em conta o horário de trabalho do Comércio e Indústria. Foi calculada a curva de consumo doméstico através da subtracção do somatório dos consumos Industrial, Rega, Perda e MAJ ao caudal horário introduzido na rede. Figura 1: Curvas características do consumo total por classes (Perda, Rega, Industrial, MAJ, Doméstico). Curvas de Consumo 7 6 Caudal [ m3 /h ] Perda Rega IND Maj Dom Te m po [ H ora s ] MODELAÇÃO MATEMÁTICA Por vezes as áreas em estudo são demasiado grandes, sendo difícil associar um pequeno aumento do caudal mínimo nocturno à identificação e localização de uma fuga, não se tornando adequada a realização de testes de fecho progressivo de válvulas, ou de outros métodos de detecção de fugas. Esta situação verificou-se na área piloto do Castelo de S. Jorge, tendo sido necessário recorrer ao emprego do modelo matemático de simulação dinâmica, calibrado, que permitiu simular as manobras das válvulas que determinam a divisão em ZMC s de menor dimensão, com viabilidade de medição de consumo (em cada um dessas novas áreas, sem que se verifiquem decréscimos significativos nos valores das pressões. Para a realização deste trabalho foi necessário efectuar a modelação integral da rede de distribuição da área do Castelo de S. Jorge, visto que nesta zona 86,% das condutas instaladas têm diâmetros inferiores ou iguais a 1 mm, e o modelo matemático utilizado na EPAL para planeamento e gestão do sistema, apenas contempla as tubagens com diâmetros superiores a 2 mm, à excepção de situações pontuais. Em virtude de a EPAL possuir o cadastro da rede de distribuição completamente digitalizado e atendendo ao facto que a geometria da rede modelada deve ser baseada nos elementos desenhados de cadastro, desenvolveu-se uma aplicação informática que 2 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 183

5 permitiu transferir integralmente, a informação georeferenciada das tubagens e válvulas, para ficheiros ASCII, que o modelo matemático importa com facilidade. Assim, apenas foi necessário proceder à definição dos nós (os nós do modelo não coincidem na totalidade com os do cadastro) e sua altimetria, à introdução das características das tubagens, tais como diâmetros, códigos dos materiais e coeficientes de rugosidade e à introdução da informação relativa aos diâmetros e graus de abertura das válvulas. Por se revelar mais simples, todas as operações de edição no ficheiro de dados, foram efectuadas fora do modelo matemático. Com vista à calibração do primeiro modelo matemático, de simulação estática, foram determinados experimentalmente os valores dos coeficientes de rugosidade, na fórmula de Manning-Strickler. Para aplicação da fórmula de Colebrook-White neste modelo foi necessário equiparar os coeficientes da rugosidade de ambas as fórmulas, tendo-se igualado as mesmas através do factor de resistência f, adimensional. Além dos habituais nós gerados na junção de troços modelados, foram também criados nós específicos para alocação dos consumos referentes aos grandes consumidores. Foi feita a alocação dos consumos aos nós, diferenciados por classes, com grande rigor. Não foi possível recorrer a um processo completamente automatizado em virtude de o cadastro informatizado ainda não dispor de informação relativa a ramais, elementos esses que farão a ligação com o ficheiro de consumos, residente noutra base de dados. Com vista à calibração do modelo, durante duas semanas realizou-se a medição dos volumes de água fornecidos à área (através da colocação de data-loggers nos dois medidores de caudal instalados nas condutas de abastecimento da zona, dos caudais utilizados pelos cinco grandes consumidores e das pressões instaladas na rede em 17 locais estrategicamente seleccionados ( loggers de pressão). Na sequência da análise dos dados recolhidos, escolheu-se o dia típico de consumo da área, efectuando-se a extracção dos valores horários registados e o estabelecimento das curvas para cada classe de consumo. No decorrer da primeira simulação verificou-se ser necessário corrigir apenas num troço, o factor de resistência ao escoamento, para que o modelo ficasse calibrado e fosse possível simular o fecho de válvulas com vista à identificação das novas zonas de medição e controlo. Este estudo proporcionou-nos a obtenção de um completo e perfeito conhecimento hidráulico do funcionamento da rede nesta área. STEP-TEST O step-test permite identificar as áreas com maiores fugas dentro de uma ZMC, através do fecho progressivo das válvulas que estabelecem a fronteira entre as diferentes áreas e a correspondente leitura do caudal afecto a cada área. O teste só deve ter início quando é atingido o valor mínimo de caudal, ou seja quando não houver consumos na zona, o que ocorre geralmente entre as 2: horas e as 4: horas na cidade de Lisboa. 2 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 184

6 A sequência das operações a efectuar no teste de fecho progressivo de válvulas é a seguinte: 1. Seleccionam-se as válvulas de seccionamento que dividem a ZMC nas diferentes áreas em que se pretende determinar o nível de fugas, as quais previamente foram objecto de manutenção, de modo a garantir que não há passagem de caudal aquando da manobra de fecho. 2. Procede-se ao fecho sequencial das válvulas indicadas no ponto anterior, de modo a isolar previamente as zonas mais afastadas do ponto de entrada de caudal na zona piloto, até ao fecho da última válvula que será a que se encontra junto do contador. 3. Após a conclusão do teste, analisam-se os gráficos de caudal obtidos de modo a identificarem-se as áreas com maiores fugas na zona piloto em estudo. Esta análise é feita, de acordo com o gráfico representado abaixo (como exemplo, o step-test realizado na área piloto da Madre de Deus), em que T1, T2, T3, T4, T, T6, T7, T8 e T9, identificam as operações de fecho das válvulas de seccionamento que dividem as malhas. Nas ordenadas é possível identificar quais os caudais consumidos nas diferentes malhas, e nas abcissas é indicada a hora de manobra das válvulas. 4. Analisando as variações de caudais, provocadas pelo fecho das válvulas de seccionamento, as malhas onde ocorrem maiores fugas serão as que apresentem diferenças mais significativas.. Identificadas estas malhas, decorrerão nelas os trabalhos de detecção de fugas, seguindo-se a reparação das roturas encontradas. Figura 2: Medição de caudal no teste de fecho progressivo de válvulas (step-test). 3 Ca ud al (m 3/h ) T1 T2 T3 T4 T T6 T7 T8 1 T9 2: 2:1 2:3 2:4 3: 3:1 3:3 3:4 4: 4:1 Tempo (horas) ÁREA PILOTO DO BAIRRO DA ENCARNAÇÃO Esta área era constituída por metros de tubagem de fibrocimento com cerca de anos de idade e abastecia 1.7 contadores. Nestas condutas ocorriam frequentemente roturas com a correspondente perda de água. Face a esta circunstância decidiu-se, proceder ao registo exclusivo dos caudais entrados na malha, e efectuar o balanço dos ganhos obtidos com a redução das perdas, tendo por base os caudais mínimos nocturnos antes e após a substituição da rede de fibrocimento por ferro dúctil. 2 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 18

7 Após a renovação da rede estar concluída, verificou-se um decréscimo nos caudais mínimos nocturnos de.8 m 3 /hora (de 1.7 m3/hora para 9.9 m 3 /hora), o que corresponde a uma diminuição de 37%. Tabela 1: Resultados obtidos na área piloto da Encarnação. MÉTODO JANEIRO/9 MARÇO/96 Qmin(m3/h) Extensão (metros) Litros/metro de tubagem/hora Litros/contador/hora ÁREA PILOTO DO BAIRRO MADRE DE DEUS Esta área é constituída por 1.21 metros de tubagem de fibrocimento e abastece contadores. Nesta ZMC aplicou-se o método de fecho progressivo de válvulas ( steptest ), para determinação das malhas com maiores fugas. Posteriormente procedeu-se à detecção e localização de fugas, utilizando equipamento de detecção com correlação acústica, tendo-se identificado várias roturas, após o que se executaram as respectivas reparações. No que respeita aos resultados obtidos verificou-se um decréscimo de 9.4 m 3 /hora no caudal mínimo nocturno (de 26. m 3 /hora para 17.1 m 3 /hora), o que representa uma diminuição de 3%, fruto dos trabalhos realizados de detecção e reparação de roturas. Tabela 2: Resultados obtidos na área piloto da Madre de Deus. MÉTODO 2/1/9: Step-Test Mar./96 Qmin(m3/h) Extensão (metros) Litros/metro de tubagem/hora Litros/contador/hora ÁREA PILOTO DO CASTELO DE S. JORGE A rede é constituída por condutas de ferro fundido (7,4%), de fibrocimento (21,4%) e de ferro dúctil (3,2%), que totalizam cerca de 11 Km de extensão, com diâmetros compreendidos entre os e os 2 mm. Uma grande percentagem das condutas (86,%) apresenta diâmetros inferiores ou iguais a 1 mm, e os diâmetros de cerca de 3% das tubagens instaladas estão compreendidos entre os 1 e os 12 mm. Nesta área encontram-se diâmetros pouco vulgares nos dias de hoje, pois dizem respeito a tubagens de ferro fundido muito antigas. Cerca de 7,2% das tubagens instaladas têm 2 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 186

8 idade superior a anos e 94,3% foram instaladas há mais de 3 anos. Esta área abastece consumidores. Após identificação das possíveis válvulas de isolamento da área desenhada, procedeu-se ao fecho das mesmas e à instalação de registadores de pressão, de modo a tornar possível a análise dos valores das pressões instaladas. Os consumidores abrangidos na área em estudo foram previamente avisados que se iam efectuar testes na rede de distribuição. À malha inicialmente escolhida foi suprimida uma zona, em virtude de se terem verificado nesse local decréscimos significativos nos valores das pressões registadas, aquando da realização dos testes de fecho de válvulas. Como já foi anteriormente referido procedeu-se à modelação integral da rede do Castelo de S. Jorge. Na posse do modelo calibrado foi possível efectuar diversas simulações de modo a subdividir a área piloto. A área inicialmente abastecida através de 2 contadores, foi dividida em 3 ZMC (Olarias, Santa Marinha e Vale de S. António), o que exigiu a instalação de um terceiro contador. Após a conclusão deste trabalho realizou-se um teste de fecho progressivo de válvulas, abrangendo as três zonas. Após a realização de trabalhos de detecção de fugas e de reparação das roturas, verificaram-se as seguintes diminuições nos caudais mínimos nocturnos: na ZMC das Olarias. m 3 /hora, correspondente a um decréscimo de 3 %; na ZMC de Santa Marinha.4 m 3 /hora, representando uma redução de 34%; na ZMC de Vale de S. António.1 m 3 /hora, equivalente a um decréscimo de 7%. Tabela 3: Resultados obtidos na área piloto do Castelo S. Jorge. MÉTODO /3: STEP-TEST 24 a 3/3 ZMC das OLARIAS (2286 contadores) Qmin(m3/h) Extensão (metros) 9 9 Litros/metro de tubagem/hora Litros/contador/hora ZMC de SANTA MARINHA (649 contadores) Qmin(m3/h) Extensão (metros) Litros/metro de tubagem/hora Litros/contador/hora ZMC de VALE DE S. ANTÓNIO (1336 contadores) Qmin(m3/h) Extensão (metros) Litros/metro de tubagem/hora Litros/contador/hora o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 187

9 CONCLUSÃO A participação no projecto SPRINT, proporcionou aos técnicos da empresa a aquisição de conhecimentos na adopção de estratégias concertadas de controlo de perdas de água nos sistemas de distribuição, consolidando a experiência existente e preparando a empresa para prosseguir com o trabalho conducente à redução de perdas de água na rede de distribuição. Ainda no âmbito do Projecto SPRINT, procedeu-se ao estabelecimento de 3 ZMC na zona baixa do sistema de distribuição de água a Lisboa. Já foram executados ou encontram-se em desenvolvimento projectos que visam a instalação de medidores de caudal de modo a permitir a monitorização das ZMC. É intenção da EPAL estender, a curto prazo, esta metodologia a toda a cidade de Lisboa, encontrando-se nesta data a preparar uma candidatura aos Fundos de Coesão, com vista à obtenção de financiamentos para facilitar a concretização deste projecto. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. YORKSHIRE WATER Leakage control manual of working practices, in Working Edition nº.1, October HAISTE KIRKPATRICK INTERNATIONAL Guidelines For Mathematical Modelling of Water Distribution Systems, First Draft, March HELENA ALEGRE; SÉRGIO TEIXEIRA COELHO Caracterização das Origens de Fugas e Outras Perdas nas Redes de Distribuição de Água, in Revista da Indústria da Água, nº.1, SPRINT 27/2 Gestão de sistemas de distribuição de água e controlo de fugas, in SPRINT NEWSLEAK, issue 6, July CONCEIÇÃO ALMEIDA Modelo Matemático da área do Castelo de S. Jorge dados topológicos, in Comunicação apresentada no Sprint Open Day, SÉRGIO RODRIGUES Modelo Matemático da área do Castelo de S. Jorge Consumos, in Comunicação apresentada no Sprint Open Day, LUÍS SOARES FERREIRA Modelo Matemático da área do Castelo de S. Jorge Calibração, in Comunicação apresentada no Sprint Open Day, JOÃO ABRAÇOS Monitorização das áreas, detecção e localização de fugas, in Comunicação apresentada no Sprint Open Day, GUEIFÃO DE OLIVEIRA O Projecto piloto de Lisboa, in Comunicação apresentada no Sprint Open Day, HELENA ALEGRE; JAIME MELO BAPTISTA Indicadores de Desempenho de Sistemas de Distribuição de Água: Uma Questão de Moda ou de Necessidade, in Revista da Indústria da Água, nº.2, o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 188