Uso do EPANET para análise de rede de distribuição de água

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1 Uso do EPANET para análise de rede de distribuição de água Henrique Marcondes Grandi Telefone: (41)

2 Conteúdo Introdução Revisão de rede de condutos e modelagem matemática EPANET Apresentação do enunciado Cronograma Distribuição do material

3 Introdução OBJETIVO: Exercício prático de rede de distribuição Direta aplicação de conhecimentos de hidráulica Resolução de problemas de fluxo em malhas Uso da ferramenta EPANET MATERIAL Disponibilizado pelo Professor Dr. Philipp Klingel KIT. Disciplina de Distribuição de Água.

4 Enunciado Simulação de uma rede existente de distribuição de água; Representação da rede existente; Compreensão e representação do consumo de água; Representação dos reservatórios; Compreensão e representação das perdas de água; Calibragem do modelo com base em campanha de medição; Avaliação do funcionamento dos reservatórios; Avaliação da pressão na rede;

5 Dados a se trabalhar DESENHOS (.pdf e.shp) Planta topográfica A1; Planta da rede, com as informações dos condutos; Planta de campanha de medição, com os locais nos quais se dispõe de dados de medição; INFORMAÇÕES Consumo diário residencial e industrial valores e comportamento no tempo. Dados de distribuição da população e demanda de água na adução estimativa das perdas ; Campanha de medição estimativa da rugosidade ;

6 Ferramentas SOFTWARES EPANET; Arc GIS, QGIS;

7 Conteúdo Introdução Revisão de rede de condutos e modelagem matemática EPANET Apresentação do enunciado Cronograma Distribuição do material

8 Equação de Bernoulli Bernoulli (conservação da energia)

9 Determinação da perda de carga Perda de carga Darcy - Weisbach

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11 Rede de condutos

12 Rede de condutos Conservação de massa (continuidade) Conservação de energia (Bernoulli) Condição da malha;

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14 Modelagem matemática Como representar: 1. Rede de condutos? 2. Conservação de massa? 3. Conservação de energia? 4. Compatibilidade da malha?

15 Modelagem matemática 1. Rede Estruturação em grafos Nós potencial, demanda de vazão; Trechos rugosidade, área, vazões; Parâmetros ( dados de entrada ): Rede de condutos; Potencial da captação / reservação; Demanda de cada nó; Variáveis: Vazões e velocidades; Pressões e perdas de carga; Condição (cota) dos reservatórios;

16 Modelagem matemática 1. Rede

17 Modelagem matemática 1. Rede Nó X Y Z Tipo K1 X1 Y1 Z1 Captação K2 X2 Y2 Z2 Bomba K3 X3 Y3 Z3 Reservação K4 X4 Y4 Z4 Nó K5 X5 Y5 Z5 Consumo K6 X6 Y6 Z6 Consumo Padrão de consumo Parcelas do dia Fator G1 TS1 F1 G1 TS2 F2 G2 TS1 F3 G3 TS1 F4 G3 TS3 F5 G3 TS4 F6

18 Modelagem matemática 1. Rede Rede de condutos - Representação dos grafos: Matriz de Incidência A:

19 Modelagem matemática 2. Conservação de massa Lei da continuidade: conservação de massa:

20 Modelagem matemática 2. Conservação de massa Lei da continuidade: conservação de massa:

21 Modelagem matemática 2. Conservação de massa Lei da continuidade: conservação de massa: q

22 Modelagem matemática 3.1 Conservação da energia (Perda de carga) Perdas de carga: hj

23 Modelagem matemática Conservação da energia (Bernoulli) Obtenção de Hj

24 Modelagem matemática Conservação da energia (Bernoulli) Relacionando A, H e perda de carga:

25 Modelagem matemática Conservação da energia (Bernoulli)

26 Modelagem matemática 4. Malhas Matriz de incidência já não é mais quadrada; Impossível inverter -> solução não linear

27 Modelagem matemática 4. Malhas Método de Hardy Cross (Cross, > Hidráulica); Processo iterativo com correção de pressões e vazões; Método de Newton-Raphson; Cálculo de correções segundo série de Taylor Linear Theory Method; Termos não lineares representados linearmente. Gradient Method (Todini & Pilati, 1987); Método implementado pelo EPANET (pág. 187 do Manual do EPANET); Aplicação do método de Newton-Raphson para cálculo simultâneo de vazões e pressões. Formulação como problema de otimização (por exemplo, Deuerlein, 2002); Dentre outros;

28 Modelagem matemática 4. Malhas Hardy Cross

29 Modelagem matemática 4. Malhas Hardy Cross

30 Modelagem matemática: Procedimento

31 Modelagem matemática: Procedimento Definição clara do problema: Qual é o grau de detalhamento e a precisão desejados? Qual é a fonte de dados, e qual é a qualidade desses dados? Como resolver o problema? Quais são os custos/ demandas de tempo e trabalho de cada método disponível? A qualidade e a quantidade de dados não correspondem às expectativas do projeto? correção/ adequação das tarefas que o modelo realizará

32 Modelagem matemática: Procedimento Dados geográficos ( informações do local, dados de uso do solo, dados políticos, aerofotogrametria); Dados do sistema ( características físicas do sistema); Dados de operação (controle, bomba, vazão de entrada / captação) Dados de consumo (consumo no tempo, perdas);

33 Modelagem matemática: Procedimento Abstração dos dados físicos e não físicos; Digitalização da topologia (criação de modelo de nós e trechos); Digitalização dos parâmetros (atributos); Chute inicial para posterior calibragem (eg. Rugosidade);

34 Modelagem matemática: Procedimento Determinação de parâmetros que não podem ser diretamente medidos; Verificação e avaliação dos resultados de cálculo; Eventual edição/adaptação do modelo;

35 Conteúdo Introdução Revisão de rede de condutos e modelagem matemática EPANET Apresentação do enunciado Cronograma Distribuição do material

36 EPANET - Informações gerais Software aberto para cálculo de redes de distribuição de água; Desenvolvido pela Agência Americana de Proteção ao Meio Ambiente (EPA). Software e manuais disponíveis em diversos idiomas; LENHS Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento, UFPB. EPANET BRASIL Manuais em português

37 EPANET - Aplicações Hidráulica: Cálculo estacionário e não estacionário de pressões e vazões em sistemas de abastecimento; Cálculo de perdas de carga segundo Hazen-Williams, Darcy-Weisbach ou Chezy-Manning Consideração de perdas locais de pressão; Bombas com rotação constante ou variável; Uso de qualquer geometria de reservatórios; Um nó pode ter diversos tipos de consumo, com diferentes características; Não calcula golpes de aríete; Calcula apenas escoamento com seção cheia;

38 EPANET - Aplicações Avaliação da qualidade da água: Simulação da propagação de materiais reativos e não reativos no sistema de abastecimento ao longo do tempo; Cálculo de estagnação da água no sistema; Cálculo das parcelas da vazão correspondente de uma determinada fonte nos nós do sistema (mistura de água); Consideração de variação temporal de determinadas concentrações de materiais da captação;

39 EPANET Vantagens e Desvantagens Vantagens gratuito Open-source sem restrições de tamanho de rede; métodos de cálculos confiáveis, amplamente testados; simples uso (questionável: cuidado, não há botão desfazer ) Desvantagens: Não há integração com Sistemas de Informação Geográfica; Não há possibilidade de análises específicas (Calibragem, Avaliação de incêndio); Imput-file em.txt

40 Conteúdo Introdução Revisão de rede de condutos e modelagem matemática Apresentação do enunciado Cronograma Distribuição do material

41 Enunciado 1. Compreensão e representação da distribuição do consumo; 2. Modelagem da rede (nós e cotas, condutos e características); 3. Modelagem do abastecimento; 4. Modelagem dos reservatórios; 5. Modelagem do consumo e perdas; 6. Calibragem; 7. Avaliação;

42 1. Compreensão do Consumo Região População Porcentagem do total [ - ] [-] [%] Centro Norte (Zentrum Nord) Centro Sul (Zentrum Süd) Bairro (Vorort) Bairro (Vorort) Bairro (Vorort) Bairro (Vorort) Soma

43 1. Compreensão do Consumo Em função do número de casas

44 1. Compreensão do Consumo Em função da área de cada nó Determinada densidade habitacional (habitantes/ha) Determinado consumo por habitante => l/ha Triangularização

45 1. Compreensão do Consumo Em função da rede Disposição de N nós; P pessoas na região, cada nó recebe o consumo de P/N pessoas;

46 2. Modelagem da rede Uso do EPANET Distribuição de nós obrigatórios; Distribuição dos condutos, reservatórios, etc. Atribuição de características (descrição, altitude, etc)

47 2. Modelagem da rede Nós obrigatórios: Junção/separação de 2 condutos; Fim de cada conduto (cada conduto está entre 2 nós); Alteração do material/ propriedades do conduto;

48 3. Modelagem do abastecimento

49 4. Modelagem do reservatório

50 4. Modelagem do reservatório

51 4. Modelagem do reservatório

52 4. Modelagem do reservatório

53 4. Modelagem do reservatório

54 Consumo (%) 5. Modelagem do consumo e perdas 2,5 2 1,5 1 0,5 0 00:00:00 03:36:00 07:12:00 10:48:00 14:24:00 18:00:00 21:36:00 Horário

55 5. Modelagem do consumo e perdas

56 5. Modelagem do consumo e perdas

57 6. Calibrando o modelo

58 Conteúdo Introdução Revisão de rede de condutos e modelagem matemática EPANET Apresentação do enunciado Cronograma Distribuição do material

59 Cronograma 07/03: Apresentação do trabalho, divulgação do material; 1 Semana para: Instalar programas; Ler manuais; Imprimir mapas; Idealização da rede (trabalho com os dados, distribuição do consumo); 16/03: Passo a Passo EPANET; Calibragem; Montar rede; 1 Semana para: Terminar de montar a rede; Simulação; Avaliação dos resultados; Discussão do trabalho;

60 Conteúdo Introdução Revisão de rede de condutos e modelagem matemática EPANET Apresentação do enunciado Cronograma Distribuição do material