Simulação de vazão e pressão de um sistema de abastecimento de água em ambiente SIG Carine Rodrigues da Costa, Ivairton Monteiro Santos Instituto Universitário do Araguaia Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT) Rodovia MT-100, Km 3,5 78.698-000 Pontal do Araguaia MT Brasil carinercrs@gmail.com, ivairton@ufmt.br Abstract. Geographic informations can be represented in Geographic Informations Systems (GIS). These systems can help to solve problems that involve geographic informations and aid decision support systems. The Water Supply Systems are an area where GIS can be applied. This work uses the EPANET simulation model and purpose a prototype where the flowing and pressure are simulated. Moreover, this work presents a methodology to construct the prototype. Resumo. Em Sistemas de Informação Geográfica (SIG), dados geográficos podem ser representados computacionalmente, a fim de auxiliar na solução de problemas que envolvem informações geográficas e facilitam a tomada de decisões pelos gestores. A gestão de sistemas de abastecimento de água está entre as diversas áreas que podem usufruir das ferramentas de SIG. Este trabalho utiliza o modelo de simulação EPANET, apresenta um protótipo que simula a vazão e pressão de um sistema de abastecimento de água tratada de um bairro e descreve a metodologia empregada para a construção do sistema implementado. Palavras chaves. SIG, modelo de simulação, simulação vazão pressão, sistema de abastecimento de água, EPANET. 1. Introdução Sistemas de Informação Geográfica (SIG) abrangem várias áreas, como por exemplo, planejamento e gerenciamento urbano, segurança, uso de recursos naturais, uso da terra, entre outros [Burrough & McDonnell 1998]. Frente às várias aplicações na área de gerenciamento urbano, está a gestão de sistemas de abastecimento de água, que abrange uma grande quantidade de informações que se ampliam a cada dia com o desenvolvimento das cidades. A gestão de sistemas de abastecimento de água pode ser feita em um ambiente SIG, pois a partir de uma base georreferenciada há diversas possibilidades para manuseio das informações, como a visualização completa da rede, suas características, visualização dos dados dos usuários, simulação do funcionamento do sistema e análise e verificação da disponibilidade de água no sistema de abastecimento [Dorca et al. 2006]. Dessa forma, a capacidade de exibir informações geográficas intuitivamente, facilita a análise do funcionamento da rede de distribuição de água, auxilia aos engenheiros a avaliar, prevenir e dar manutenção no sistema de distribuição.
Essas funcionalidades são importantes pois visam a qualidade da prestação do serviço por parte da empresa de saneamento, além de possibilitar uma maior economia tanto para empresa de saneamento quanto para o consumidor, pois dá suporte para a conservação das tubulações, na atualização dos dados da rede e dos consumidores, no armazenamento de informações, como também auxilia na avaliação de mudanças no sistema e no planejamento de obras de conservação ou expansão. É possível, em ambiente SIG, executar simulações hidráulicas em uma rede de abastecimento de água. Segundo [Gavira 2003], simulação computacional é uma representação de uma situação real através de um modelo matemático. Este modelo deve reproduzir de maneira mais fiel possível as características do sistema, com a simulação tem-se a possibilidade de fazer experiências, manipular e analisar resultados, concluir de que modo fatores distintos afetam o desempenho do sistema. Este trabalho trata justamente da integração de SIG e modelos de simulação, e apresenta um protótipo de um sistema de simulação de vazão e pressão em um ambiente de distribuição de água tratada, utilizando dados reais de um sistema de distribuição. 2. Elaboração do protótipo Para a realização do protótipo, foi escolhido o Bairro Jardim Amazonas e parte do bairro Jardim Paraíso, na cidade de Barra do Garças MT. A escolha se baseou nas características da região, os bairros são bem delimitados geograficamente e possuem uma boa diferença entre suas cotas. Essas características fazem com que esses bairros sejam um bom exemplo de estudo. O primeiro passo na construção do protótipo consistiu da coleta da imagem de satélite da região. A imagem de satélite foi retirada do software Google Earth (Google) e é fundamental para que sirva de molde para a construção dos temas de informação. Para que a imagem possa ser utilizada, ela deve estar georeferenciada, para isso foi utilizado o software Image Warp (Spatial Solutions Inc), acoplado ao software ArcView (ESRI). O procedimento consistiu em demarcar 10 pontos (quantidade definida empiricamente) nítidos na imagem, informando as coordenadas em UTM para cada ponto selecionado. Assim, o Image Warp tornando possível obter a coordenada geográfica de qualquer local descrito pela imagem de satélite georeferenciada. A Figura 1 ilustra a imagem de satélite utilizada da elaboração do protótipo, vale destacar que a região ao sul da figura, é a região com menor cota, enquanto que a região ao norte, próxima da serra, possui os maiores valores de cota. A partir da imagem georreferenciada, iniciou-se a digitalização dos temas necessários para a representação do bairro. Os primeiros temas a serem digitalizados foram as quadras (total de 41) e as ruas (total de 29). Para a implementação do modelo de simulação, foi necessário digitalizar as informações relacionadas ao sistema de abastecimento de água. Dessa forma, fez-se uma visita à EMASA (Empresa Matogrossense de Água e Saneamento LTDA, responsável pelo abastecimento de água do bairro selecionado) para coletar dados técnicos do sistema e poder então, representálo o mais fiel possível à realidade. Dessa forma, foram digitalizados e representados 1 RNV (Reservatório de Nível Variável), 1 RNF (Reservatório de Nível Fixo), 569 pontos de consumo, ou seja, residências onde há o consumo de água e toda a tubulação de distribuição de água, ou seja, 940 tubos e 370 junções. O sistema real possui uma bomba responsável por enviar água do RNF ao RNV. Entretanto, a bomba não foi representada no sistema computacional pela insuficiência de dados. O artifício
empregado para simular o abastecimento do RNV pelo RNF, foi definir a cota do RNF com uma elevação superior de 5 m em relação ao RNV. Figura 1. Imagem de satélite georreferenciada utilizada como referência na digitalização dos planos de informação. Para a simulação do sistema de abastecimento de água foi escolhido o modelo EPANET (USEPA), que calcula a pressão e a vazão em cada nó (junções, bombas, válvulas e reservatórios) da rede, perda de carga das tubulações e concentração de espécies químicas através da rede. O modelo tem ainda, opções de simulação estática e dinâmica e os resultados podem ser vistos em intervalos temporais através da visualização da rede, tabelas, gráficos ou em forma de animação gráfica [Rossman 2000]. Vale ressaltar que o EPANET faz simulações de qualidade da água, entretanto, neste trabalho, optou-se somente pelo uso da simulação hidráulica devido a ausência de dados para otimização adequada do módulo de simulação de qualidade. Rossman [2000] descreve que o EPANET define os objetos físicos que compõem uma rede de distribuição de água como um conjunto de objetos ligados a nós. Os objetos representam os tubos, bombas e válvulas. Os nós representam junções, RNF, RNV e pontos de consumo. Tanto os nós como os objetos têm dados de entrada e saída que são inicializados para a simulação hidráulica, que correspondem ao valor da demanda (consumo) e disponibilidade (abastecimento) hídrica. No sistema modelado, a demanda dos pontos de consumo foi definida em 216 l/ hab/dia para uma família de 4 pessoas em média, ou seja, para cada casa consumidora de água foi considerado um consumo médio de aproximadamente 860 l/dia. Como o sistema de abastecimento de água tem demanda de consumo variada ao longo do dia, necessitou-se inserir no sistema um padrão temporal, que discretiza essa variação. Os padrões temporais são compostos por um conjunto de fatores multiplicativos que são aplicados ao valor de uma determinada grandeza com o objetivo de variá-las ao longo da simulação. Estas grandezas podem ser o consumo no nó, a carga hidráulica num RNF e os esquemas de bombeamento [Rossman 2000]. O padrão temporal elaborado corresponde ao período de 24 horas. Cada hora da simulação tem seu fator multiplicativo, a Tabela 1 demonstra o padrão construído. O campo hora está representando o passo de tempo e o fator multiplicativo está associado
às variações de consumo de água durante o dia. Este padrão inicia à 0 hora, por isso os primeiros fatores multiplicativos são pequenos, pois correspondem ao período da madrugada (6 primeiras horas). Por exemplo, para definir o consumo correspondente a 12:00 horas da manhã, basta ver na tabela o fator multiplicativo equivalente ao horário. Este fator, será multiplicado pelo consumo médio por hora, definido de acordo com o consumo por habitante por dia (especificado anteriormente). Observe que os fatores multiplicativos de valor 0,1 equivalem a 10% do consumo médio por hora, enquanto que os fatores multiplicativos com valor 2 são o dobro do consumo médio (200%), que corresponde aos horários de pico de consumo de água durante o dia. Tabela 1. Padrão Temporal de consumo de água durante o período de 24 horas. Hora Fator Multiplicativo 0:00 às 5:00 6:00 às 7:00 8:00 às 10:00 11:00 às 12:00 13:00 às 17:00 18:00 às 19:00 20:00 às 21:00 22:00 23:00 0,1 2 1 2 1 2 1 0,8 0,6 A definição do padrão temporal é importante pois permite ao modelo de simulação considerar os momentos de maior consumo e representar com fidelidade as características do sistema de distribuição de água. Com os temas de informações do bairro digitalizados e a rede de distribuição de água modelada, pode-se então executar a simulação do sistema. A Figura 2 ilustra a rede de distribuição de água digitalizada. Os temas ilustrados são as quadras (linhas claras), a tubulação (linhas escuras) e os pontos de consumo e junções. Figura 2. Rede de distribuição de água digitalizada. 3. Simulação e resultados computacionais Para o processo de simulação foram considerados os seguintes parâmetros: a fórmula de perda de carga utilizada foi a de Darcy-Weisbach por ser a mais recomendada pela literatura [Rossman, 2000]. A unidade da vazão adotada foi l/s. O número máximo de iterações para resolver as equações de cálculo hidráulico foi de 40 iterações. O erro máximo de convergência adotado foi de 0,001. O período total de simulação foi definido em 72 horas e o passo de cálculo hidráulico foi de 1 hora, sendo que a
simulação inicia à 0 hora. O erro máximo é utilizado para indicar quando uma solução para as equações de equilíbrio hidráulico é encontrada. As iterações param quando a soma de todos os incrementos da vazão a dividir pela soma da vazão em todos os pontos é inferior ao erro máximo. O EPANET permite que os resultados sejam visualizados através de tabelas, gráficos e animação gráfica. Para os nós, os parâmetros de simulação hidráulica disponíveis para visualização são a cota e o consumo-base, os dados calculados na simulação são: o consumo total em cada instante da simulação, a carga hidráulica (altura piezométrica) e pressão. Para as tubulações estão disponíveis a visualização do comprimento, do diâmetro e a rugosidade dos tubos, sendo as grandezas calculadas na simulação a vazão, velocidade e perda de carga. A Figura 3 ilustra um instante da animação gráfica no EPANET, descrevendo a pressão nos pontos de consumo e nas junções da rede de distribuição em um horário onde ocorre um pico no consumo de água (12 horas da manhã). As variações de pressão na rede podem ser visualizadas no mapa, onde os nós possuem diferentes tons, de acordo com a legenda no topo superior esquerdo da figura. É possível ver na parte inferior da figura, que corresponde à região mais baixa do bairro, que há pressão mais elevada (tons claros). O excesso de pressão (acima de 50 mca, metros de coluna d'água) pode causar rompimento nos tubos. Enquanto isso, na parte alta do bairro (parte superior da figura), observa-se que os pontos chegam a ter pressão abaixo de 10 mca (tons escuros). Note que, dependendo do valor da pressão e a altura da caixa d'água, esse consumidor pode não estar recebendo água. Figura 3. Ilustração do EPANET simulando a pressão nos pontos em um horário de alto consumo de água. A Figura 4 corresponde ao gráfico que descreve a simulação para um ponto específico. O ponto selecionado, encontra-se em uma das regiões mais altas do bairro. O eixo x descreve o tempo de simulação em horas, enquanto que o eixo y corresponde ao valor da pressão em mca. Note que nas horas em que há alto consumo de água este ponto fica sem pressão suficiente para ser abastecido.
Figura 4. Gráfico que descreve a pressão simulada para um ponto localizado em uma região alta do bairro. 4. Conclusão Hoje as informações e tecnologias devem se integrar, pois o grande volume de dados exige um gerenciamento eficaz. Neste sentido, diversas ferramentas computacionais podem auxiliar a gestão da informação. Dessa forma, para Sistemas de Abastecimento de Água, que são essenciais ao dia-a-dia da população, isso se torna ainda mais importante. Além é claro, pelo fato da água encontrar-se cada vez mais escassa, o uso de geotecnologias possibilita um uso racional deste recurso natural. A ferramenta SIG vem auxiliar o trabalho de engenheiros e profissionais que atuam nesta área, na gestão de sistemas de abastecimento de água. É importante notar que a digitalização, o uso de software SIG e uso do pacote de simulação hidráulica de uma rede de abastecimento de água é um estudo interdisciplinar. O objetivo de construir um protótipo e nele executar simulações de vazão e pressão foi alcançado. Entretanto, há ainda a possibilidade de representar e simular aspectos relacionados à qualidade da água. Há também como sugestão de trabalho futuro, a exportação das informações geradas neste protótipo para um banco de dados geográfico e da implementação de uma interface em ambiente web, de maneira que consumidores possam ter acesso aos dados dos seus sistemas de abastecimento. 5. Referência bibliográfica BURROUGH, P.A.; McDONNELL, R. A. (1998), Principals of Geographical Information Systems, Em: Oxford University Press. (2nd edition), p. 333. DORCA, C.C.; LUZIVOTTO JR, E. e ANDARADE, J.GP. Aspectos da implantação de um SIG em pequenos e médios abastecimentos de água, São Paulo: Universidade Federal de Campinas. Disponível em: <http://www.lrh.ct.ufpb.br/serea/trabalhos/a06_19.pdf>. GAVIRA, M.O. (2003), Simulação Computacional como uma ferramenta de aquisição de conhecimento, Dissertação de mestrado - Universidade de São Paulo, São Paulo. MACKE, S. (2005), DC Water Design Extension Manual, Dorsch Consult. ROSSMAN, L.A. (2000), EPANET User s Manual. EPA/600/R-00/057. USA: U. S. Environmental Protection Agency.