Calibração de modelos de simulação hidráulica

Os modelos matemáticos de simulação hidráulica são desenvolvidos para reproduzir o comportamento hidráulico de um sistema existente ou prever a resposta de um sistema novo tendo em conta um conjunto de solicitações atuais ou futuras, o modo de operação e funcionamento do sistema e ainda as alterações das caraterísticas físicas do sistema. Se se tratar de um sistema existente há a necessidade de calibrar o modelo, ou seja, ir ajustando alguns parâmetros desconhecidos no modelo por forma a aproximar, tanto quanto possível, os resultados obtidos no modelo com os mesmos valores medidos in situ (Teixeira et al., 2006; Alves, 2012).

Gomes (2011) descreve três tipos de modelos usados para a calibração de modelos de simulação hidráulica e de parâmetros de qualidade da água:

1) Modelos de procedimento iterativo: Estes algoritmos baseiam-se em procedimentos de tentativa e erro onde os parâmetros desconhecidos no modelo são atualizados a cada passo de cálculo, com recurso a equações analíticas para ajuste desses parâmetros.

2) Modelos explícitos: Nestes algoritmos os componentes de cálculo do equilíbrio hidráulico da rede são obtidos através da resolução analítica do sistema de equações não lineares, sendo que o ajuste de cada parâmetro do modelo depende das grandezas observadas ao longo da rede para um dado cenário de consumo.

3) Modelos implícitos: Estes algoritmos consistem na utilização de uma função objetivo, onde esta será minimizada de forma implícita, permitindo desta forma determinar os erros (ou variáveis desconhecidas) através da comparação entre os valores calculados e medidos

in situ.

Como descrito anterior, quando se trata de sistemas existentes, há a necessidade de comparar os resultados obtidos no modelo, e aproxima-los tanto quanto possível dos valores registados in situ. Para isso é necessário proceder a uma campanha de medições específicas para a calibração do modelo, como por exemplo a medição da pressão, do caudal ou através de testes na rede (Teixeira et al., 2006; Alves, 2012).

i) Medição de pressão

A medição da pressão pode ser efetuada com equipamentos fixos ou portáteis instalados em marcos de água, bocas-de-incêndio e bocas de rega. Trata-se de um procedimento muito importante, uma vez que permite a monitorização do comportamento hidráulico do sistema. ( Teixeira et al., 2006; Lopes, 2013). Os principais tipos de medidores de pressão utilizados em entidades gestoras são os transdutores ou manómetros, podendo estes ser analógicos ou digitais, com leitura instantânea ou com a capacidade de registo através de datalogger.

ii) Medição de caudal

A medição de caudais num sistema de distribuição de água é efetuada através de caudalímetros de diversos tipos, sendo estes colocados à entrada/saída de reservatórios, à entrada/saída de zonas de medição e controlo, em estações elevatórias e ainda nos ramais de ligação. Existem vários tipos de caudalímetros no mercado sendo que os mais utilizados são os medidores: mecânicos; eletromecânicos; eletromagnéticos não-intrusivos; ultrassónicos não-intrusivos; e os medidores de intrusão, eletromecânicos ou eletromagnéticos, montados na extremidade de uma haste que é inserida na conduta através de uma tomada em carga (Teixeira et al., 2006).

iii) Teste de rede

Quando se pretende obter estimativas para certos parâmetros do sistema de distribuição de água é aplicado um conjunto de práticas de aplicação caso-a-caso, para a construção e calibração de modelos de simulação hidráulica, é exemplo disso:1) testes de perda de cargas; 2) testes de desempenho da bomba; 3) testes de qualidade da água (Teixeira et al., 2006; Trifunovic, 2008).

Os testes de perda de carga destinam-se a estimar ou ajustar os valores atribuídos à rugosidade interna das tubagens, e podem ser realizados usando as leituras de pressão de dois manómetros de pressão padrão para determinar a perda de carga ao longo do comprimento do tubo – por exemplo, entre duas bocas-de-incêndio (são medidas as pressões em ambas as bocas-de-incêndios, e a perda de carga é calculada através da diferença de cotas piezométricas entre os dois pontos). Conhecido o caudal, o diâmetro e a distância entre os dois pontos de medição da pressão, através da aplicação de uma das leis de resistência, é possível estimar a rugosidade interior das tubagens (Teixeira et al., 2006; Trifunovic, 2008).

O teste de desempenho da bomba é utilizado para verificar ou ajustar a curva de uma bomba, para poder estimar a capacidade e desempenho reais, bem como para a sua eficaz representação no modelo. É estimado através dos valores de altura de elevação para um conjunto de valores de caudal, tendo em conta os seguintes parâmetros: altura de água na bomba; pressão na conduta de compressão; peso volúmico da água; velocidade do escoamento na secção; aceleração da gravidade; perda de carga (Teixeira et al., 2006).

Os testes de qualidade da água é um conjunto de parâmetros físicos e químicos que podem ser analisados em laboratório e outras medidas que podem ser feitas diretamente no campo, para a modelagem da qualidade da água (especialmente a idade da água e o rastreamento da fonte). Os testes laboratoriais são utilizados para determinar os constituintes e as reações que possam ocorrer na água. Os estudos de campo podem ser realizados para recolher dados usados na calibração de um modelo de qualidade da água, como por exemplo os diâmetros reais dos tubos – um fator importante na modelagem da qualidade da água, porque o uso de um diâmetro de tubo incorreto pode resultar em erros significativos na velocidade de previsão (Trifunovic, 2008).

2.4.4. Softwares de Modelação e Simulação