22 al 27 de agosto de 2004 Hotel Caribe Hilton - San Juan, Puerto Rico

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1 SISTEMA ADUTOR METROPOLITANO DA RMSP MODELAGEM MATEMÁTICA COM A UTILIZAÇÃO DO PIPE 2000 Alexandre Miguel López* O Engº. Alexandre M. López é Diretor de Expansão da Encibra S.A. Estudos e Projetos de Engenharia. Em 2002, como Diretor de Engenharia, sua atuação incluía a supervisão e controle de qualidade de todos os projetos desenvolvidos pela empresa, dentre os quais destacamos o Plano Diretor de Abastecimento de Água da Região Metropolitana de São Paulo. Sua especialização pela Faculdade de Saúde Pública da Universidade de São Paulo em Engenharia de Saneamento Básico foi crucial na análise dos resultados da modelagem hidráulica do SAM. Endereço: Av. das Nações Unidas Bloco III 17º andar, São Paulo, SP CEP Tel , ; - amlopez@encibra.com.br. Eduardo Pericle Colzi Russell Rudolf Ludwig RESUMO A Região Metropolitana de São Paulo - RMSP constitui-se no mais importante pólo cultural e econômico da América Latina e, pelo imenso leque de possibilidades e oportunidades que oferece, deverá continuar em expansão, embora em ritmo menos acelerado, podendo alcançar até 2025 aproximadamente 22,5 milhões de habitantes. Acompanhar esse crescimento e, em paralelo buscar a melhoria da qualidade de vida, exige dos serviços públicos de infra-estrutura um suporte permanente, confiável e atualizado. Para a SABESP, principal responsável pelos serviços de saneamento básico do Estado de São Paulo, é uma grande tarefa e constante desafio manter o abastecimento público de água para a RMSP, que implica atualmente produzir e distribuir mais de 63 m³/s de água potável, abastecendo cerca de 17,8 milhões de habitantes, além de 500 mil estabelecimentos comerciais, 47 mil industriais e 10 mil públicos. Quase toda essa vazão é levada aos consumidores através do chamado Sistema Integrado de Abastecimento, composto de Sistemas Produtores, Sistema Adutor Metropolitano - SAM, e Sistema de Distribuição, formando um complexo operado de modo interligado e flexível, que busca compatibilizar as disponibilidades hídricas dos mananciais, as potencialidades do Sistema Adutor e as demandas setoriais. O estudo desenvolvido fez um diagnóstico físico-operacional do Sistema Existente, projeta o crescimento da população da RMSP, quantifica as demandas futuras e propõe um Programa de Obras de mananciais, linhas adutoras de água bruta, estações de tratamento de água, linhas adutoras de água tratada, estações elevatórias e reservatórios setoriais até o ano de 2025.

2 Neste trabalho, entre outros desafios, foi elaborado um modelo matemático em regime permanente e em tempo extensivo que tornou possível um acompanhamento do comportamento do Sistema frente ao crescimento das demandas e a expansão da RMSP e permitiu um pré-dimensionamento de todas as obras para o Sistema Adutor Metropolitano de São Paulo até o ano de 2025, sendo um instrumento de planejamento estratégico, indispensável à criação de mecanismos capazes de desencadear as ações gerenciais da administração pública, que vão da contratação dos projetos executivos às obras, passando pela obtenção dos recursos financeiros necessários. Palavras-Chave: Modelagem Matemática, Sistema de Abastecimento de Água, Abastecimento Público, Sistema Adutor INTRODUÇÃO A elaboração de um modelo matemático do Sistema Adutor Metropolitano da Região Metropolitana de São Paulo - RMSP, um dos maiores e mais complexos do mundo fez parte dos Estudos de Revisão e Atualização do Plano Diretor de Abastecimento de Água, desenvolvidos por um Consórcio de empresas brasileiras. Os estudos, com início em maio de 2002 foram contratados pela Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo-SABESP, constituindo-se no principal instrumento de referência de planejamento e gestão, no âmbito da RMSP. A ser colocado à disposição das entidades operadoras de serviços de abastecimento de água da referida região. OBJETIVOS Para possibilitar a avaliação hidráulica do Sistema Adutor Metropolitano da RMSP, construiu-se um modelo computacional do SAM, que efetuasse simulações hidráulicas em regime permanente e tempo extensivo, com o objetivo de acompanhar as variações de demandas horárias de cada setor de abastecimento, determinadas pelo estudo de demandas e pelas suas curvas neutras, e seu reflexo nas condições hidráulicas, níveis de reservatórios do sistema e integralização da produção de cada sistema produtor. METODOLOGIA Para a construção do modelo computacional do SAM, utilizou-se o software PIPE 2000, desenvolvido pelos Engenheiros Don Wood e James Funk da Universidade de Kentucky. Foram obtidas todas as características físicas e parâmetros de cálculo necessários de forma a tornar o modelo matemático consistente, incluindo curvas características de bombas de forma individual para cada estação elevatória e booster considerados. A topologia da malha das adutoras foi traçada sobre uma base cartográfica contendo todos os elementos básicos para a modelagem tais como Estações de Tratamento de Água, Reservatórios Setoriais, Estações Elevatórias e Boosters e Estruturas de Controle de Vazão e Pressão.

3 Levantamento das Informações Cadastrais O primeiro passo para a elaboração do modelo matemático foi o de levantamento das informações referentes ao sistema existente no que se refere às tubulações (diâmetros, caminhamentos, materiais, etc.), estações de tratamento (vazões produzidas, cota da instalação, localização), reservatórios (níveis de operação mínimo e máximo, capacidade de armazenamento, cota de instalação, localização), válvulas (tipo, diâmetros, etc.), estações de bombeamento (número de bombas instaladas, características de bombas, potência dos equipamentos, etc.), informações sobre o consumo de cada setor de abastecimento (demandas médias e máximas), número de, etc., ou seja, todos os elementos necessários para a elaboração do modelo. Resumo dos Dados Disponíveis Dados Cadastrais Os dados de cadastro disponíveis do Sistema Adutor existente compreendem os seguintes elementos: Esquemas Gerais das Unidades Remotas do SCOA Utilizou-se o Sistema de Recorrência do SCOA - RMSP (impressões FIX de março de 2002), para caracterizar a atual operação das instalações vinculadas ao SCOA. Cadastro de Dados Operacionais Para as diversas estações de telemetria do CCO da SABESP, obtiveram-se, informações concernentes aos reservatórios, estruturas de medição e controle, e estações elevatórias em operação. Cadastro de Tubulações Dos arquivos técnicos da SABESP foram obtidas as informações cadastrais de tubulações nas áreas de reservação, estações elevatórias e as built das linhas adutoras. O resumo dos dados obtidos são apresentados em forma de

4 tabela a seguir. Informação adicional e mais detalhada sobre o comprimento das linhas, diâmetros e interligações foram obtidas de plantas do sistema, digitalizadas em AutoCAD e através de entrevistas com técnicos da SABESP. Reservatórios e Estações Elevatórias/Boosters As informações sobre os reservatórios foram obtidas de relatórios anteriores, entrevistas com técnicos da SABESP e inspeções locais. Base Cartográfica Georreferenciada Para a elaboração do modelo matemático foi empregada uma base cartográfica georreferenciada de toda a Região Metropolitana de São Paulo, formada por 39 municípios. Elaboração do Modelo do Sistema Existente A partir dos dados cadastrais levantados foi elaborado um modelo do sistema existente, onde foram traçadas todas as adutoras e dos demais elementos do sistema sobre a base cartográfica georreferenciada e o lançados os dados referentes às instalações existentes, empregando-se o software Pipe2000. Juntamente, com as demandas setoriais, foram lançados os dados referentes às curvas de consumo diário de cada setor de abastecimento,o que permitiu o estudo do comportamento do funcionamento diário de cada reservatório para a demanda média diária e a demanda do dia de maior consumo. Conseguiu-se assim um modelo matemático capaz de simular o comportamento do Sistema Adutor Metropolitano de São Paulo. Com este modelo foi possível a elaboração de um diagnóstico do sistema atual, a detecção de pontos críticos e a proposição de obras de melhoria para o sistema. Aferição do Modelo Dinâmico A etapa de calibração do modelo matemático da rede hidráulica consiste na determinação dos parâmetros do modelo de forma que os resultados analíticos coincidam com os dados obtidos através de medições de campo e constitui a fase mais importante do processo. Os parâmetros a serem ajustados podem ser os coeficientes de rugosidade das tubulações, diâmetro efetivo das mesmas, características de determinados elementos da rede (válvulas, bombas, etc...) bem como a distribuição dos consumos nos nós do modelo. Assim a calibração deve contemplar todos esses parâmetros uma vez que o comportamento da rede é muito sensível quanto aos consumos. A primeira operação que se deve efetuar antes de proceder aos ajustes do modelo consiste em analisar as medições efetuadas, descartando aquelas que resultem inverossímeis. Portanto, o método de calibração a ser utilizado será o ajuste simultâneo das pressões e vazões medidas corrigindose os valores de rugosidade e de perdas localizadas. Este método permite que o ajuste das características físicas da linha do ajuste dos consumos se faça de forma independente. A aferição do modelo dinâmico tomou por base as medições de vazão e pressão nas Estações Remotas do SCOA cujo Banco de Dados está disponível na SABESP através de relatórios com interface EXCEL. Análise Hidráulica do Sistema: Definição dos Pontos Críticos Critérios Considerados Para a definição dos pontos críticos de adução, foram considerados os seguintes critérios básicos: Centros de Reservação Nos reservatórios de distribuição do sistema considera se o atendimento satisfatório se ocorrerem as seguintes condições: Vazão aduzida maior ou igual à vazão máxima diária do setor; Pressão disponível mínima a montante do reservatório de 5,0 mca, para setores atendidos por gravidade;

5 Velocidade nas válvulas de controle na entrada do reservatório menor que 8,0 m/s. Adutoras Para as linhas de adução, admite-se como adequados os seguintes parâmetros: Valor da rugosidade C (Hazen-Williams) maior ou igual a 110. Velocidade do escoamento menor ou igual a 2,0 m/s ou perda de carga unitária menor ou igual a 3 m/km; Pressões internas dinâmicas mínimas superiores a 5,0 mca em qualquer ponto da linha; Inexistência de derivações em marcha diretamente para a rede de distribuição. Estações Elevatórias Com relação às estações de bombeamento, admite-se que as instalações estejam adequadas, em termos de atendimento da adução, se obedecidos os seguintes critérios: Existência de conjunto motor-bomba de reserva quando em operação sob as condições de demanda máxima de diária; Rendimentos das bombas superiores a 75% para máquinas de simples sucção, e a 80% para máquinas de dupla sucção; Operação sem sobrecarga elétrica dos motores, ou seja, dentro da faixa do fator de serviço; Bombeamento livre de cavitação, caracterizado pelo NPSH disponível superior ao NPSH requerido; Perdas de carga localizadas nos barriletes de sucção e recalque inferiores a 2,0 mca. Modelo Matemático para as Alternativas O estudo de projeção de demandas prevê um crescimento da demanda média por água na RMSP dos atuais 63 m³/s para cerca de 81 m³/s e uma demanda máxima de cerca de 90,5 m³/s para o ano de Para atendimento a estas crescentes demandas, foram estudadas diversas alternativas de mananciais capazes de prover as demandas previstos nos aspectos de qualidade e quantidade necessários ao abastecimento público. Dentre as diversas alternativas foram elencadas as três melhores quanto aos aspectos sócio-técnico-econômico-ambientais e, para estas alternativas, foram elaborados modelos matemáticos e pré-dimensionadas as obras necessárias para um perfeito funcionamento do sistema até o ano de Foi possível, então, a elaboração de uma análise comparativa entre as alternativas e a seleção da alternativa com os melhores aspectos sócio-técnico-econômico-ambientais. CONCLUSÃO A utilização do modelo matemático georeferenciado do SAM, possibilitou a execução das análises hidráulicas para estabelecer as alternativas de ampliação e adequação do SAM e as soluções para a otimização e utilização de novos Sistemas Produtores necessários para garantir um adequado atendimento à população da RMSP. O emprego do software PIPE 2000 mostrou a real capacidade de análise permitindo obter uma visão geral do comportamento hidráulico e operacional do sistema auxiliando nos processos decisórios de adequação de novas obras aos cenários futuros. As tendências futuras de utilização do modelo matemático desenvolvido para o SAM possibilitarão a integração com Sistema SCADA e a operação em tempo real.