ESTUDO SOBRE SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA E EXPANSÃO URBANA Paloma Colmana Martins de Figueiredo 1 * & José Ailton da Costa Ferreira 2 & Maria José de Sousa Cordão 3 Resumo Os Sistemas Urbanos de Distribuição de Água (SUDA), devido ao aumento populacional muitas vezes não conseguem acompanhar a expansão urbana, ocasionando um déficit na distribuição de água. Para sanar tal problema são necessárias, antes de tudo, informações sobre a dinâmica de crescimento dos centros urbanos, como também informações hidráulicas, especialmente no que diz respeito a pressão. Essas informações se mostram importantes na avaliação da expansão dos serviços de água para atender novas demandas. O presente estudo é baseado em análises utilizando geotecnologias e simulações hidráulicas com o objetivo de apresentar um diagnóstico do crescimento e/ou atendimento da demanda de água em virtude da expansão urbana na cidade de Araruna - PB. Foram observadas áreas de expansão urbana na classificação de imagens de satélite utilizando sensores remotos, como o Landsat 5/TM e o RES2/LISS3. Para as simulações hidráulicas da rede de distribuição, o estudo sugere a utilização do software EPANET para analisar se as pressões são compatíveis com as prescritas em normas.. Palavras-Chave sistema de abastecimento de água; geotecnologias; expansão urbana. STUDY ON WATER SUPPLY AND URBAN EXPANSION SYSTEMS Abstract Urban Water Distribution Systems (SUDA), due to population increase, often fail to keep up with urban sprawl, causing a deficit in water distribution. In order to remedy such a problem, information on the dynamics of the growth of urban centers, as well as hydraulic information, especially with regard to pressure, is necessary. This information is important in assessing the expansion of water services to meet new demands. The present study is based on analyzes using geotechnologies and hydraulic simulations with the objective of presenting a diagnosis of the growth and / or service of water demand due to the urban expansion in the city of Araruna - PB. Areas of urban expansion were observed in the classification of satellite images using remote sensors, such as Landsat 5 / TM and RES2 / LISS3. For the hydraulic simulations of the distribution network, the study suggests the use of EPANET software to analyze if the pressures are compatible with those prescribed in standards. Keywords water supply system; Geotechnologies; Urban sprawl. 1 Graduanda em Engenharia Civil pela Universidade Estadual da Paraíba UEPB, email: paloma_colmana@hotmail.com. 2 Graduando em Engenharia Civil pela Universidade Estadual da Paraíba UEPB, email: ailtoncf2011@gmail.com. 3 Mestre em Engenharia Civil e Ambiental pela Universidade Federal de Campina Grande UFCG, Professora da Universidade Estadual da Paraíba UEPB, email: merycordao@gmail.com XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1
1. INTRODUÇÃO Uma cidade de grande, médio ou pequeno porte pode sofrer com os impactos socioeconômicos e ambientais, bem como em sua infraestrutura em face do crescimento demográfico natural. Assim, há uma preocupação com o sistema de distribuição de água, que pode entrar em colapso em virtude da ausência de planejamento frente à expansão urbana. O que se observa, é que nas áreas periféricas, principalmente, há um desabastecimento devido ao crescimento da rede de distribuição ser desproporcional a expansão urbana. Segundo Faria, et al. (2009) um software de acesso gratuito que pode ser utilizado para analisar a expansão urbana é o SPRING. Esse software permite o georreferenciamento de imagens de satélites, podendo ainda medir a área urbana de uma cidade em diferentes épocas. Deste modo, as imagens orbitais apresentam como vantagens a possibilidade de obtenção de dados num curto espaço de tempo e baixo custo, além de permitir uma visão sinótica da área de estudo proporcionada pela tomada dos dados na vertical (Araújo et al, 2011). Em contrapartida, se tratando de modelagem em razão do número de variáveis envolvidas, o EPANET é um modelo de simulação hidráulica de domínio público que permite executar simulações hidráulicas e de parâmetros de qualidade de água em sistemas de distribuição de água, é amplamente utilizado e atestado em diversos estudos sobre modelagem de sistemas de abastecimento de água (ROSSMAN, 2000). Neste contexto, a utilização do geoprocessamento associado a analise qualitativa do SUDA se propõe investigar e analisar áreas susceptíveis a expansão urbana as quais possam servir de auxilio no planejamento dos sistemas de distribuição de água, e consequente atendimento adequado da demanda através do estudo dos critérios associados, a exemplo da mínima pressão necessária na rede. A utilização de simulações consegue adaptar o funcionamento de uma rede e identificar as principais carências a serem vencidas mediante um estudo ponderado e zoneamento. Para tanto, elegeu-se a cidade de Araruna, PB como área de estudo em virtude desta apresentar características físicas e sociais pertinentes, tais como: considerável crescimento urbano nos últimos 5 anos, rede de distribuição possui mais de 20 anos de uso e falhas no abastecimento em alguns pontos da cidade. 2. ÁREA DE ESTUDO O município de Araruna PB está localizado na microrregião do Curimataú Oriental no Agreste Paraibano, sob uma chapada sedimentar com 580 metros de altitude, distam 165 km de João Pessoa, capital da Paraíba. A Figura 1 mostra a localização geográfica do município de Araruna no estado da Paraíba. XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2
Figura 1-Localização geográfica do município de Araruna PB De acordo com o censo demográfico realizado pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) em 2010 a população residente foi estimada em 20.009 habitantes, e apresenta uma extensão territorial equivalente a 245,72 km², cuja densidade demográfica corresponde a 81,43 hab/km², evidenciado na Figura 2. Figura 2 Delimitação da área urbana da cidade de Araruna PB 3. METODOLOGIA XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3
3.1 Obtenção das imagens de satélite As imagens utilizadas foram obtidas através do catálogo online disponível no site do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE (2016). Foram utilizadas duas imagens de satélites, as quais possuem datas distintas. A primeira sendo do ano de 1997 do satélite Landsat 5 (Land Remote SensingSatellite), sensor TM, e a outra correspondente ao ano de 2016 fornecida pelo satélite RES2 (ResourceSat-2), sensor LISS3.A Tabela 1 apresenta o satélite e sensor, assim como a data de coleta e a orbita/ponto das imagens. Tabela 1 Dada sobre as imagens dos satélites Satélite Sensor Órbita/Ponto Data de passagem Landsat 5 TM 214/65 14/06/1997 RES2 LIS3 338/081 22/07/2016 3.2 Etapas do georreferenciamento das imagens e aplicação de composição O georreferenciamento das imagens do Landasat 5/TM e do RES2/LISS3 foram realizados no SPRING, versão 5.3 do INPE. As etapas realizadas foram: (a) Criação de banco de dados, (b) Criação do projeto, (c) Criação dos modelos de dados, (d) Criação dos planos de informação, (e) Importação de imagens TIFF, (f) Ajuste de contraste, (g) Classificação não automática e (h) Operações métricas. No processo de georreferenciamento também foi utilizada como referência a imagem do município fornecida pelo Google Earth (2016), a fim de verificar os contornos urbanos, os quais são mais visíveis neste tipo de imagem, pois por se tratar de um núcleo urbano de pequeno porte, durante o processo de classificação das imagens dos sensores estes contornos se apresentaram com baixa resolução. Foram realizadas composições coloridas com o objetivo de se ter uma interpretação visual das imagens e destacar o máximo possível da zona urbana. Diante disto, a partir das imagens dos canais do visível foram realizadas composições do tipo falsa cor, e ajustado os contrastes lineares para aumentar a nitidez das imagens. A composição aplicada foi 432 (Banda 4 no Red, Banda 3 no Green e Banda 2 no Blue). 3.3 Delimitação da zona urbana A Zona Urbana foi delimitada através do processo de edição vetorial do software SPRING. Através da composição aplicada foi possível contornar o perímetro urbano e gerar um polígono, permitindo realizar operações métricas e, por sua vez, determinar sua área conforme a Figura 3. XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4
3.4 Caracterização do SUDA Figura 3 - Determinação da área urbana Conforme a Companha de Água e Esgoto do Estado da Paraíba (CAGEPA) do manancial que abastece a cidade de Araruna PB, partem dois sistemas de captação de água, com uma estação elevatória cada. Destes, o que recalca água bruta para Araruna é constituído por uma adutora de diâmetro nominal (DN) 400 mm, dispostas em ferro fundido até a Estação de Tratamento de Água (ETA). Após a secção de tratamento, a água é aduzida para a cidade através de uma tubulação de ferro de DN 250 mm até o reservatório principal, a jusante. O reservatório de distribuição possui um volume equivalente a 500.000 litros, entretanto opera com uma redução de 14% da capacidade total (escoado por um extravasador de 4,30 m), ou seja, 43.000 litros de onde é demandada para cidade por meio de dutos dotados com DN equivalente a 200 mm, 100 mm, 75mm e 50 mm. Os dados da rede geral de distribuição de água foram obtidos junto a CAGEPA em formato PDF, digitalizados na escala 1:2500. Logo, foi possível traçar a rede observada na Figura 4. Observa-se que a rede de abastecimento não acompanhou a expansão urbana, especialmente nas áreas periféricas. Figura 4 - Traçado da rede distribuição da água de Araruna - PB XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5
3.5 Simulação hidráulica O EPANET é um programa adequado às necessidades atuais de simulação possuindo integração com as ferramentas de SIG, facilitando a interpretação dos resultados. Os dados da rede geral de distribuição de água foram obtidos junto a CAGEPA em formato PDF, digitalizados na escala 1:2500, que posteriormente servirão de subsidio para realizar simulações hidráulicas do sistema. A princípio foi exportado o arquivo.dwg para o ambiente.net e efetuou-se a inserção das cotas e comprimentos dos elementos nodais e trechos, respectivamente. Salienta-se que o sistema possui um reservatório de nível variado (RNV) situado no centro do município que distribui água para a rede para analisar o comportamento das tubulações. Um dado importante à simulação hidráulica é o levantamento do consumo base em cada nó do segmento da tubulação. Contudo, esse procedimento está sendo realizado através do levantamento de cadastramento de endereços juntos ao IBGE. Ressalta-se que em cada unidade habitacional cadastrada foram considerados cinco habitantes com um consumo per capita de 150 litros de água diários. Assim, será possível verificar o funcionamento do SUDA do município, mediante a construção de um modelo para representar a atual rede. 4. RESULTADOS Os registros de expansão urbana foram analisados utilizando técnicas de geoprocessamento do software SPRING e imagens do sensor remoto Landasat 5/TM- 1997 e do RES2/LISS3-2016. A partir desta informação, verificou-se que o município, como em grande parte das cidades do país, tem apresentado nas últimas décadas um considerável crescimento de seu núcleo urbano, destacando-se, particularmente, uma expansão de caráter horizontal. Nessa perspectiva, a Figura 4 apresenta a evolução da mancha urbana ao longo de duas décadas e a Tabela 2 apresenta os valores da área urbana correspondente aos anos de 1997 e 2016. (a) Figura 4 - Mancha urbana da cidade de Araruna PB, (a) Ano: 1997; (b) Ano: 2016 (b) XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6
Tabela 2 Área urbana da cidade de Araruna PB correspondente aos anos de 1997 e 2016. Ano Área Urbana (Km²) 1997 0.877 2016 1.700 Esta expansão pode não ser acompanhada pela rede de distribuição de água da cidade, fato que pode comprometer o atendimento a demanda de água nas áreas de crescimento (ARAÚJO, 2012). Em virtude desta constatação, serão realizadas simulações através do software EPANET que permitirá identificar os valores de pressões nos nós e analisar se as pressões nos referidos nós estão de acordo com a norma NBR12218/1994, a qual preconiza que a pressão estática máxima nas tubulações distribuidoras deve ser de 50 m.c.a. e a pressão dinâmica mínima, de 10 m.c.a. No mais, é notório observar, que os habitantes da referida cidade, fazem constantes críticas a falta de água, especialmente nas regiões periféricas. Fato que pode se alinhar com o pensamento de que esta falta, também, é fruto das expansões urbanas mal planejadas, bem como da falta de atualização dos componentes da rede de distribuição. 5. CONCLUSÃO Através do software SPRING foi possível comprovar o crescimento do centro urbano da cidade de Araruna- PB e observou-se que a rede de abastecimento de água fornecia pela CAGEPA não acompanha o espalhamento das áreas periféricas, podendo resultar em um sistema ineficiente. Concomitante, recomenda-se a ampliação dos serviços de infraestrutura, no que diz respeito à rede de abastecimento de água para suprir a demanda e gerenciar corretamente as demandas hídricas urbanas. Contudo, estudos mais detalhados do fenômeno de expansão produzidos a partir da caracterização do sistema de água da cidade podem projetar cenários de expansão mais precisos através de simulações na rede. A realização da simulação hidráulica através do EPANET será de extrema importância para verificar se as pressões nos nodais operantes atendem os critérios de operação e assegurar a integridade do sistema. Deste modo, representação espacial da expansão urbana dos dados associada à rede de abastecimento de água permitirá gerenciar informações, bem como para a manipulação, aquisição e cruzamento dos dados entre os sistemas. Para tanto, dados obtidos in loco bem como avaliação das condições da atual demanda poderiam subsidiar nos estudos dos problemas enfrentados pelo SUDA em detrimento de sua expansão urbana. 6. REFERÊNCIAS ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 12218/1994: Projeto de rede de distribuição de água para abastecimento público Procedimento. Rio de Janeiro, ABNT, 1994. ARAÚJO, E. L. (2012). Estimativa e análise do crescimento da demanda de água considerando cenários de uso e ocupação do solo. Dissertação (Mestrado em Engenharia civil e Ambiental) Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, 2012. XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7
ARAÚJO, E. L.; RUFINO, I. A. A.; LUNGUINHO, R. L. (2011). Análise da expansão urbana versus o comportamento da rede de distribuição de água da cidade de Campina Grande PB através de imagens de satélite. In: Anais do XV Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Curitiba, 2011. FARIA, S. H.; CALIJURI, M. L; OLIVEIRA, J. C. (2009). Uso de softwares gratuitos (SPRING e EPANET) na simulação de pressão e vazão de uma rede de abastecimento de água. In: Anais do XIV Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Natal, 2009. GOOGLE EARTH, 2016. Disponível em:<https://www.google.com.br/maps/@-6.5328424,- 35.7352176,3161m/data=!3m1!1e3>. Acesso em 09 de mai. 2016. INPE. Instituto de Pesquisas Espaciais. Disponível em: <http://www.dgi.inpe.br/sitedgi/portugues/satelites.php>. Acesso em: 29 de ago. De 2016. ROSSMAN, L. A. (2000). EPANET User s Manual. National risk management research laboratory, office of research and development, USEPA, EPA Publication. EPA/600/R- 00/057, September, 200p. XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8