ESTUDO DE CASO: ESTUDO DE REDUÇÃO DE PERDAS NO SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA DO MUNICÍPIO DE PEDERNEIRAS/SP ATRAVÉS DE FERRAMENTA DE MODELAGEM

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1 ESTUDO DE CASO: ESTUDO DE REDUÇÃO DE PERDAS NO SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA DO MUNICÍPIO DE PEDERNEIRAS/SP ATRAVÉS DE FERRAMENTA DE MODELAGEM Mariana Machado Bastos (1) Engenheira Ambiental Sérgio Henrique de Souza Motta Engenheiro Civil Rafael Guerreiro Imada Engenheiro Ambiental Eliana Medeiros Ferreira da Silva Engenheira Ambiental Janaina de Albuquerque Alves Engenheira Civil Endereço (1) : Rua Dr. Carlos de Camargo Salles, 202 Jardim Lutfalla São Carlos São Paulo CEP: Brasil Tel: +55 (11) mariana.mbastos@gmail.com. RESUMO A redução das perdas nos sistemas de abastecimento de água representa um dos principais desafios para os gestores públicos e operadoras destes sistemas. O alto índice de perdas de água reduz o faturamento e, consequentemente, a capacidade dos administradores de investir e obter financiamentos. Além disso, gera danos ao meio ambiente, uma vez que é necessária a exploração de um volume de água superior ao volume consumido. A partir de simulações, realizadas através do software de modelagem hidráulica WaterCAD V8i, diferentes alternativas de setorização foram analisadas para o sistema do município de Pederneiras, localizado no interior do Estado de São Paulo e que, semelhante a muitos outros municípios brasileiros, apresenta índices elevados de perda de água. Como resultado, não somente o melhor gerenciamento dos recursos hídricos, mas também o retorno financeiro dos investimentos foi verificado, uma vez que o sistema passará a operar de forma otimizada. ASSEMAE - Associação Nacional dos Serviços Municipais de Saneamento 1

2 Palavras-chave: perdas de água; estudo de setorização; modelagem hidráulica. INTRODUÇÃO/OBJETIVOS O Brasil é um país privilegiado em termos de disponibilidade de água doce. A vazão média dos rios brasileiros é de m 3 /s (5.660 km 3 /ano), o que representa aproximadamente 12% das reservas de água do planeta (Ministério do Meio Ambiente, Secretaria de Recursos Hídricos, 2006). A distribuição dos recursos hídricos no território não ocorre de forma homogênea, sendo que a ocupação do território ocorreu em áreas com menor disponibilidade de água, situação agravada pela alta densidade populacional nos centros urbanos. Contudo, apenas recentemente o gerenciamento dos recursos hídricos passou a ser considerado uma questão primordial para a sustentabilidade das cidades. Desde 2003, o Brasil, e mais especificamente o Estado de São Paulo, vem sofrendo ameaças à segurança do abastecimento de água de milhões de pessoas, devidas ao baixo nível de água em seus reservatórios. Enquanto isso, a média nacional de perdas de água no sistema de abastecimento é de aproximadamente 40%, incluindo as perdas reais e aparentes (Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental ABES, 2013). Pederneiras, localizada a 320 km da capital com uma população urbana de habitantes, sofre com grandes perdas no sistema de abastecimento de água. Entre Agosto/2012 e Setembro/2013, aproximadamente 50% da água tratada do município não atingiu os seus consumidores finais. O gerenciamento do sistema é ainda mais desafiador considerando que grande parte do cadastro das tubulações encontrava-se em plantas dispersas e desatualizadas. Conforme o conceito de FAVAD Fixed and Variable Area Discharge, introduzido por May (1994), a pressão da água durante operação do sistema é o principal parâmetro para determinação da vazão e ocorrência de vazamentos. Assim, o objetivo deste trabalho foi constatar as vantagens técnicas, ambientais e econômicas de se aplicar um estudo de setorização em um sistema de abastecimento a partir de modelagem hidráulica, obtendo-se pressões balanceadas, entre 10 e 40 mca, uma redução expressiva de perdas e uma operação mais otimizada. ASSEMAE - Associação Nacional dos Serviços Municipais de Saneamento 2

3 METODOLOGIA Um efetivo planejamento de redução e controle de perdas necessita de uma base de dados ampla e confiável, de forma que todas as características do sistema de abastecimento sejam conhecidas. Assim, o levantamento de dados compreendeu a realização de visitas técnicas, coleta de dados referentes ao cadastro físico do sistema, cadastro comercial, equipamentos de medição e controle, zonas de pressão, etc. A planta da zona urbana do município com o arruamento e curvas de nível de 1m em 1m, em plataforma georreferenciada, foi obtida junto à Prefeitura; informações sobre novos loteamentos previstos para o município foram também coletadas. Dado que o município não dispunha de seu sistema de distribuição de água cadastrado digitalmente, sendo que muitas das plantas encontravam-se na forma impresa e datadas da década de 1970, foi necessário um trabalho minucioso de cadastramento, identificando tubulações, registros, válvulas e demais unidades, tomando-se o devido cuidado para a correta delimitação dos setores e zonas de pressão. Em determinados pontos da cidade, utilizou-se da medição de pressão nos cavaletes para sanar dúvidas em relação às fronteiras de cada setor. Para inserção dos dados no modelo hidráulico, cada elemento gráfico da rede de distribuição e da base comercial foi associado a um bloco de atributos, onde são armazenados os dados alfanuméricos referentes às propriedades físicas e operacionais das instalações. A modelagem hidráulica do sistema de distribuição de água de Pederneiras foi realizada no software WaterCAD V8i, uma poderosa ferramenta de auxílio em projetos e análises de sistemas complexos de tubulações pressurizadas. Inicialmente, fez-se uma modelagem preliminar, com o objetivo de fornecer subsídios para definição dos pontos de medição para caracterização da rede atual e calibração do modelo. O resultado da simulação apresentou as linhas piezométricas de cada alça de abastecimento e o mapeamento de pressões nos nós do modelo. Assim, foi possível identificar e corrigir inconsistências ou falhas de carregamento. As medições de vazão e pressão foram realizadas por um período de 10 dias, de forma a permitir a caracterização de dias representativos para calibração do modelo hidráulico. Paralelamente aos levantamentos e trabalhos de campo para avaliação da setorização e diagnóstico operacional, foi realizado um estudo populacional tendo em vista um horizonte de 30 anos. O ponto de partida para as projeções foi o agrupamento dos setores censitários, provenientes do Censo 2010, que compõem a área de projeto. Dados como número de habitantes, renda per capita, número de habitantes por domicílio, etc., caracterizam o setor como uma unidade ASSEMAE - Associação Nacional dos Serviços Municipais de Saneamento 3

4 populacional consistente para projeção de demandas, que deve levar em consideração as diretrizes de expansão do município, localização de novos empreendimentos e demais informações que auxiliem na minimização de erros. A projeção de consumo foi realizada com base no crescimento populacional previsto para o município, para os cenários de 5, 10, 20 e 30 anos do horizonte de projeto. Para cada cenário estudado, estabeleceu-se ainda metas de redução de perdas. CONSOLIDAÇÃO DO MODELO HIDRÁULICO Após a realização das medições de vazão e de pressão nos pontos definidos a partir da modelagem preliminar, a distribuição de demandas e de perdas nos nós do modelo foi reavaliada. O método utilizado para a avaliação das perdas reais (físicas) baseia-se na metodologia da Vazão Mínima Noturna (VMN), que consiste na avaliação da vazão dos vazamentos no horário em que o consumo é mínimo no sistema, geralmente das 3h às 4h. Neste horário, as caixas d água domiciliares estão, na sua maioria, cheias, refletindo em uma vazão estável no sistema. Assim, uma parcela significativa do valor medido corresponde às vazões dos vazamentos (Figura 1). Figura 1 - Componentes da Mínima Vazão Noturna. A vazão dos vazamentos no horário de mínima vazão noturna foi tomada como base para a determinação do perfil diário de perdas reais no sistema, que está diretamente relacionado com o perfil de variação de pressão na rede, conforme o conceito FAVAD Fixed and Variable Área Discharge, introduzido por John May em 1994, que relaciona a vazão do vazamento com o porte ASSEMAE - Associação Nacional dos Serviços Municipais de Saneamento 4

5 da fuga (trinca, furo ou ruptura), o material da tubulação e a pressão de operação do sistema, conforme equação abaixo: onde: Q 1 = vazão do vazamento no instante t 1 ; Q 0 = vazão do vazamento no instante t 0 ; P 1 = pressão no ponto médio no instante t 1 ; P 0 = pressão no ponto médio no instante t 0 ; N 1 = coeficiente exponencial que relaciona a vazão dos vazamentos com a variação de pressão. O expoente N 1 pode variar entre 0,5 e 2,5, conforme o tipo de vazamento existente. A relação entre a vazão de vazamento, pressão na rede e característica do rompimento pode ser verificada na Figura 2. Figura 2 - Relação entre vazão de vazamento com a pressão na rede (adaptado de WLRandA Ltd & ILMSS Ltd). A calibração do modelo consistiu na comparação dos resultados da simulação computacional com dados reais do campo, investigando-se discrepâncias entre os valores teóricos e medidos com a instalação de medidores de pressão em novos pontos da rede. Assim, o cenário do sistema obtido com o modelo calibrado resultou em uma condição próxima da situação real de funcionamento do sistema, aprovada pelos responsáveis técnicos do sistema de Pederneiras. ASSEMAE - Associação Nacional dos Serviços Municipais de Saneamento 5

6 Posteriormente, foram simulados os cenários carregados para as demandas de 5, 10, 20 e 30 anos do horizonte de projeto, identificando-se diversas deficiências do sistema, como restrições e folgas, áreas críticas de abastecimento com pressões fora dos limites aceitáveis, áreas com elevados níveis de perdas de água, altas perdas de cargas, tubulações obsoletas, etc. Ao menos duas alternativas de setorização foram simuladas para cada setor com base nas vazões de um dia de maior consumo, visando a regularidade do abastecimento, eficiência operacional e redução e controle das perdas de água. Os volumes dos reservatórios e capacidade dos poços existentes foram também avaliados, de forma a garantir a segurança do abastecimento da população futura de cada setor. Após diversas simulações discutidas juntamente com a prestadora de serviços, uma análise técnica, econômica e ambiental das alternativas propostas foi conduzida para consolidação do sistema de distribuição de Pederneiras, resultando em um plano de ações para melhoria do sistema a ser implementado ao longo do horizonte de projeto. RESULTADOS O sistema de abastecimento de água do município de Pederneiras é composto atualmente por 7 (sete) setores de distribuição, cuja delimitação atual das zonas de pressão (Zona Alta ZA e Zona Baixa ZB) pode ser observada na Figura 3. Figura 3 - Setorização atual do sistema de abastecimento de água de Pederneiras. ASSEMAE - Associação Nacional dos Serviços Municipais de Saneamento 6

7 A partir da análise das condições atuais e cenários futuros, foram identificadas diversas deficiências no sistema de abastecimento de Pederneiras que se mostraram ainda mais críticas ao longo do horizonte de projeto, tendo em vista o objetivo de redução de perdas. Ressalta-se que as criticidades verificadas no modelo estavam em consonância com os dados operacionais obtidos junto à prestadora de serviços, como histórico de reclamações de falta de água e áreas que sofriam frequentemente com vazamentos devido às elevadas pressões na rede. No Quadro a seguir, estão itemizadas as principais criticidades verificadas em cada setor de abastecimento. Quadro 1 - Principais deficiências verificadas nos setores de abastecimento do município de Pederneiras. Setor Principais Deficiências - O Centro de Reservação Lacta apresenta-se incapaz de abastecer todo o setor definido como zona de gravidade sem o auxílio da EPAT localizada no Centro de Reservação Clark. Apesar deste bombeamento ser independente das demais áreas Lacta do Setor Clark, este quadro configura-se como mistura de zonas de pressão; - Tubulação de saída do reservatório semienterrado apresenta alta perda de carga, partindo de um trecho inicial de 150 mm de diâmetro que se expande para 200 mm imediatamente antes do abastecimento dos bairros. - A zona alta apresenta pressões elevadas nos pontos mais baixos; - A zona de gravidade apresenta pressões elevadas em pontos baixos, próximos ao Clark seu limite com a Zona Alta do Setor Sete de Setembro; - Pressões abaixo de 10mca no Distrito Industrial nos horários de maior consumo. Sete de Setembro Antônio de Conti Dom Pedro - A Zona Alta é atualmente dividida em duas áreas, separadas fisicamente pela Zona Baixa do setor; - Observam-se nós com pressões entre 45 e 50mca em determinados bairros; - A zona baixa, abastecida por reservatório semienterrado, apresenta pontos localizados próximos aos córregos com pressões acima de 50mca. - O Setor encontra-se, em sua totalidade, conectado à EPAT. Verifica-se, no entanto, a possibilidade de se realizar parte do abastecimento por gravidade; - O Centro de Reservação (C.R.) Antônio de Conti mostra-se como o mais crítico em termos de medidas de contingência, pois sua única fonte de abastecimento é o C.R. Sete de Setembro. - Verifica-se saturação tanto em relação à capacidade de reservação, como em relação à vazão bombeada pela EPAT; - Em pontos de cotas mais baixas, onde destacam-se os distritos industrias abastecidos pelo booster, verificam-se pressões elevadas; - Há problemas com baixas pressões em bairros inseridos na zona pressurizada; - O Setor Dom Pedro apresenta o maior índice de perdas. ASSEMAE - Associação Nacional dos Serviços Municipais de Saneamento 7

8 Setor Jardim Castelo Planalto Verde Principais Deficiências - O abastecimento de um novo residencial a ser implantado a noroeste do setor mostra-se inadequado, devido à grande diferença de cotas altimétricas, provocando baixa pressão em pontos altos e elevada pressão em cotas mais baixas. - Apresenta-se isolado dos demais setores, o que impossibilita manobras na rede para seu abastecimento em situações de emergência. Os cenários futuros tiveram como objetivo a identificação de ações de prazos imediato, curto, médio e longo. As vazões médias projetadas estão apresentadas na Figura 4, que permite ainda observar a diferença entre a demanda total do sistema no cenário com as intervenções propostas e no cenário mantendo-se a proporção de perdas reais atual (44%). Figura 4 Comparação entre as vazões projetadas de consumo, perda e demanda total considerando-se a configuração atual do sistema e a configuração proposta. Mantendo-se o índice atual, observa-se um aumento de 15,4% da vazão em 2045 em relação à demanda prevista para o ano de Já no cenário projetado, haveria uma redução de 4,5% da demanda total em relação ao primeiro ano, devido à redução das perdas reais (em torno de 51%), o que dispensaria investimentos para ampliação do sistema. A simulação do modelo matemático em cenários futuros possibilitou a avaliação do comportamento dos parâmetros de vazão, pressão e perda de carga na rede, contribuindo para a proposição de alternativas que buscassem a melhor eficiência operacional e econômica para o sistema. Previamente à simulação das alternativas, foram identificadas ações de pequeno porte para melhoria do sistema existente, sendo as propostas construídas a partir destas intervenções iniciais. ASSEMAE - Associação Nacional dos Serviços Municipais de Saneamento 8

9 A alternativa apresentada como a Concepção Básica do município de Pederneiras foi uma variante das duas alternativas estudadas. As proposições envolveram, de maneira geral, a ressetorização de determinadas zonas de pressão, manobras e intervenções de pequeno porte para melhoria da rede, a implantação de três reservatórios, e implantação de duas novas adutoras entre Centros de Reservação, com estações de bombeamento. A Figura 5 permite observar a nova setorização do sistema, destacando as intervenções propostas. Figura 5 - Setorização proposta para o sistema de abastecimento de água de Pederneiras. ASSEMAE - Associação Nacional dos Serviços Municipais de Saneamento 9

10 A Figura 6 permite ainda a comparação das pressões no sistema atual (2014) e da configuração proposta, onde observa-se a correção de pressões fora dos limites recomendado pela NBR (entre 10 e 50 mca). Sistema atual (2014) Configuração proposta (2045) Figura 6 Comparação entre as pressões na rede no sistema atual e configuração proposta, no horário de máxima demanda. Ressalta-se que a equalização das pressões na rede de distribuição contribui com o principal objetivo do estudo de setorização do sistema de abastecimento de água, uma vez que está intrinsicamente relacionada com a vazão de vazamentos, conforme conceito FAVAD. DISCUSSÃO A etapa de coleta de informações do sistema de abastecimento público de água de Pederneiras ocorreu juntamente com a prestadora de serviços do município. A construção da topologia do modelo hidráulico foi dificultada pela inexistência de cadastro digital. Parte das plantas impressas encontravam-se ainda desatualizadas, exigindo um extenso processo de troca de informações com os técnicos do sistema para esclarecimento de incertezas quanto à delimitacão de zonas de pressão, caminhamento de linhas de adução, localização de equipamentos e de acessórios. A Figura 7 permite observar um ponto localizado no Setor Dom Pedro inicialmente simulado em zona de gravidade, cujos resultados de pressão horária mostraram-se muito diferentes dos ASSEMAE - Associação Nacional dos Serviços Municipais de Saneamento 10

11 verificados em campo. Após correção do modelo hidráulico, a área representada pelo ponto em questão passou a ser abastecida pela Estação Elevatória, obtendo-se uma resposta muito próxima da realidade (Figura 8). Figura 7 Cavalete do Setor Dom Pedro simulado em zona de gravidade. Figura 8 - Cavalete do Setor Dom Pedro simulado em zona pressurizada. Após a obtenção do modelo hidráulico calibrado, diversos pontos críticos puderam ser observados no modelo, incluindo zonas com elevadas pressões (acima de 50 mca) e zonas com pressões abaixo do limite mínimo (10 mca); setores não estanques, abastecidos por mais de um centro de reservação; estações pressurizadoras operando acima da vazão de projeto das bombas; tubulações com elevada perda de carga; e conflitos entre os limites dos setores de abastecimento e setores comerciais de leitura de cavaletes. Analisou-se ainda a capacidade de reservação de cada setor, a capacidade dos poços existentes e a resiliência do sistema em situações de emergência. As projeções de demandas foram realizadas a partir do crescimento populacional previsto para cada zona homogênea da malha urbana, considerando-se ainda a previsão de novos loteamentos ASSEMAE - Associação Nacional dos Serviços Municipais de Saneamento 11

12 para o município, cadastrados e inseridos pontualmente no modelo. Observa-se que a projeção de perdas considerou que, além de uma redução devido à equalização de pressões da rede, os operadores do sistema, de posse de uma base cadastral atualizada e modelada hidraulicamente, poderão atuar de forma mais eficiente no monitoramento dos setores e em operações de manutenção do sistema, como reparos de vazamentos, troca de tubulações obsoletas ou substituição de equipamentos operando acima da capacidade ideal. A delimitação das zonas piezométricas nas alternativas simuladas priorizou soluções de abastecimento por gravidade, prevalecendo a proposição de redes novas e fechamento de anéis, e minimizando o abastecimento por bombeamento. Objetivou-se soluções para equalização das pressões dentro de faixas aceitáveis e a flexibilização operacional do sistema de distribuição. Em termos de mudanças de setorização, a primeira alternativa compreendeu ações de menor escala, sendo que muitas das propostas podem ser implementadas aproveitando-se parte da infraestrutura existente. A segunda alternativa propôs maiores mudanças na setorização atual, com obras mais dispendiosas para sua concretização, considerando, no entanto, uma maior extensão de rede inserida em área por gravidade e consequente economia de energia para sua operação. Observa-se que a escolha da melhor alternativa para o sistema foi realizada individualmente para cada setor de abastecimento, com base em critérios técnicos, ambientais e econômicos, além de ampla discussão com a prestadora de serviços, e consistiu em uma adaptação das propostas estudadas favorecendo o cenário com maior área inserida em zona de gravidade. Um retorno imediato à prestadora de serviços do município foi a possibilidade de fornecimento de diretrizes aos novos empreendimentos em consonância com as ações planejadas. Previamente à execução deste trabalho, parte dos loteamentos haviam recebido como ponto de tomada de água os próprios Centros de Reservação, uma vez que a capacidade suporte da rede existente era desconhecida. No entanto, as ações de melhoria do sistema, propostas durante o estudo de setorização, consideraram as vazões demandadas por tais empreendimentos, permitindo que algumas diretrizes fossem revistas e que parte das medidas estruturais propostas fossem incorporadas aos projetos de implantação dos loteamentos. Assim, proporcionou-se um benefício financeiro tanto à prestadora, que terá seus projetos concretizados, como aos empreendedores, que precisarão implantar trechos menores de rede para conectarem-se ao sistema de abastecimento público. Em uma análise econômica mais profunda, comparando-se o funcionamento do sistema em sua configuração atual frente o sistema otimizado (proposto), observa-se que há um retorno dos investimentos realizados para a melhoria do sistema ao longo do horizonte de projeto, ASSEMAE - Associação Nacional dos Serviços Municipais de Saneamento 12

13 considerando custos de implantação, operação e manutenção de redes, reservatórios, bombas e válvulas redutoras de pressão, como ilustrado no gráfico da Figura 9. Figura 9 Investimento acumulado no Sistema de Abastecimento de Água ao longo do horizonte de 30 anos. Tanto a configuração atual como a proposta exigiriam a implantação de três novos reservatórios para garantir um volume seguro de reservação (1/3 da demanda diária do setor). A nova concepção do sistema, por sua vez, exigiria ainda a implantação de três boosters, doze válvulas redutoras de pressão e um total de 14,4 km de rede. Como pode ser observado no gráfico, apesar do investimento inicial para implementação da concepção proposta (R$ ) representar o dobro do investimento para a implantação de apenas três reservatórios (de R$ ), o total acumulado gasto com operação e manutenção do sistema concebido se igualaria ao gasto com o sistema nas condições atuais no ano de No ano de 2032, o valor investido seria pago pela economia obtida com o sistema mais otimizado. Verificou-se ainda que não haverá necessidade de ampliação do sistema de captação, uma vez que a redução de perdas compensará o aumento de demanda futura. ASSEMAE - Associação Nacional dos Serviços Municipais de Saneamento 13

14 CONCLUSÃO Os resultados obtidos durante análise do sistema de abastecimento público de água do município de Pederneiras demonstram a importância de um planejamento adequado, levando em consideração o controle de pressões na rede, a capacidade dos centros de reservação e a resiliência do sistema. A modelagem hidráulica a partir do software WaterCAD V8i se mostrou uma ferramenta extremamente eficiente para o processo de planejamento, permitindo a obtenção do um modelo representativo das condições reais do sistema. Assim, através da simulação e comparação de diferentes cenários, foi possível realizar uma análise profunda para a conceber a proposta mais otimizada do sistema, garantindo uma economia financeira para a prestadora de serviços, a segurança do abastecimento da população futura, e a redução das perdas de água tratada, principal objetivo deste trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT NBR Projeto de rede de distribuição de água para abastecimento público. Rio de Janeiro: Associação Brasileira de Normas Técnicas, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL ABES (2013). Perdas em Sistemas de Abastecimento de Água: diagnóstico, potencial de ganhos com sua redução e propostas de medidas para o efetivo combate. Sumário Executivo. 2013, 45p. MAY, J. (1994). Pressure Dependent Leakage. In: WORLD WATER AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING. Outubro, MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE, SECRETARIA DE RECURSOS HÍDRICOS (2006). Plano Nacional de Recursos Hídricos. Síntese Executiva português, Brasília: MMA. 2006, 135p. WATER LOSS RESEARCH AND ANALYSIS (WLRandA Ltd) e INTERNATIONAL LEAKAGE MANAGEMENT SUPPORT SERVICES (ILMSS Ltd). Fixed and Variable Area Discharges: Pressure influences some Leak Flow Rates more than others. Disponível em: < Acesso em 13/04/2015. ASSEMAE - Associação Nacional dos Serviços Municipais de Saneamento 14