4. RESULTADOS E ANÁLISE DE SENSIBILIDADES
4.1. Resultados gerais
Chegando a esta fase do trabalho, apraz-me dizer que no decorrer do mesmo, tive sempre o especial cuidado do rigor empregue na recolha e no tratamento de informação. No entanto, não foi possível efectuar uma comparação com os valores medidos in situ, dado a falta de piezómetros e caudalímetros no sistema de distribuição.
No decorrer do trabalho vários foram os problemas que surgiram. A resolução destes problemas só foi possível dada a dedicação e a persistência empregue no trabalho. No entanto, existem dois que são difíceis de ultrapassar e que podem ter alguma influência nos resultados. São eles a incerteza relativamente à informação disponível quer ao nível das rugosidades absolutas de condutas antigas, quer ao nível do número de ligação por nó existentes. No que toca à rugosidade do material esta altera-se substancialmente com a idade e o uso do mesmo, podendo, usando valores com diferenças significativas, influenciar o campo de pressões registados na simulação. No que se refere ao número de ligações por nó existentes na rede, esta tem uma influência directa no cálculo dos consumos da rede e consequentemente nas pressões.
Nunca é demais referir que a variável temporal não foi tida em conta neste trabalho, pois não existe disponibilidade de dados suficientes para que fosse possível a sua contabilização.
Começamos por apresentar na figura 32 a rede importada do ArcView 3.3 para o EPANET 2.0 que nos ilustra o mapa da rede de distribuição da zona do Pisco em Mateus.
Figura 32 – Mapa da rede de distribuição do Pisco
Procedendo à análise das cotas topográficas introduzidas no modelo, elaborou-se um gráfico, figura 33, que nos permitisse analisar sinteticamente a rede.
Figura 33 – Isolinhas das cotas topográficas
Como podemos constatar, nas isolinhas geradas pelo EPANET 2.0 através das cotas topográficas introduzidas, vemos bem o declive bastante acentuado, típico desta região, no qual a rede está implantada. Como tal, facilmente se deduz que o campo de pressões registado nesta rede deverá ser bastante significativo. Analisando as cotas na tabela dos nós podemos inclusive verificar que o desnível máximo entre o reservatório e um ponto da rede é da ordem dos 120 a 130 metros, daí a justificação para a utilização de três VRP’s no sistema de distribuição. Por último, e que já foi referido anteriormente, é que a distribuição da água no sistema se efectua por gravidade, por isso, através das
isolinhas vemos bem a localização do reservatório na mancha mais escura, isto é, no intervalo de cotas maiores, como seria de esperar.
É importante referir que na elaboração de mapas, existe, neste software, uma ferramenta que permite evidenciar os nós e os troços com um traço proporcional ao valor que estes apresentam. Esta é uma ferramenta bastante prática já que evidencia os nós e os troços com maior valor colocando-os com uma espessura maior.
Analisando a carga hidráulica e o caudal na rede é possível tirar algumas ilacções, como se pode visualizar na figura 34.
Figura 34 – Carga Hidráulica nos nós e Caudal nos troços
A carga hidráulica, expressa nos nós, representa a linha de energia da rede de distribuição, pois esta varia de acordo com a pressão, a cota topográfica, a velocidade e a perda de carga. Por outras palavras, pode-se afirmar que para um dado caudal, quanto maior for o diâmetro da tubagem, menor será a perda de carga, maior será a pressão, logo maior será a carga hidráulica para esse mesmo caudal.
É possível identificar três zonas com tons de cor diferente, vermelho, amarelo e azul. Os nós assinalados a vermelho representam a zona de maior carga hidráulica, zona de Mateus e do Bairro do Marrão, sendo que isto se deve fundamentalmente às elevadas
cotas topográficas desta zona do sistema. Com uma carga hidráulica menor estão os nós representados a amarelo, correspondendo à zona de Abambres, do Bairro do Boque, do Intermarché e do loteamento Pé de Cavalo. A zona da Estação Ferroviária, do Bairro da Araucária e do Vilalva são aqueles cujos nós apresentam menor carga hidráulico, nós à azul, isto porque são zonas cujas cotas topográficas são menores do que a zona de Mateus.
Relativamente aos caudais, representados nos troços, como seria de esperar estes são maiores quanto maior for o seu diâmetro (troços mais salientes e com uma cor mais escura).
Sequencialmente, tendo a perda de carga unitária uma influência directa na variação da carga hidráulica, na figura 35, apresenta-se um mapa da rede com a perda de carga unitária expressa nos troços, pois este mapa contribui para uma melhor percepção do funcionamento do sistema.
Figura 35 – Perda de Carga nos troços
É possível visualizarmos neste mapa a representação de alguns troços com uma espessura maior e com uma cor mais escura, pois são aqueles cujo valor da perda de
carga é mais elevado. Nos troços onde a razão entre o caudal e o diâmetro for maior, maior será a perda de carga unitária tendo estes troços uma representação mais espessa e mais escura.
A variação da perda de carga unitária ocorre consoante as variações do caudal e da secção da tubagem. Neste sentido, poder-se-á dizer que para um dado caudal quanto maior for o diâmetro menor será a perda de carga. O diâmetro da secção da tubagem apresenta uma relação inversa à do caudal, pois para uma dada secção tubular quanto maior for o caudal maior será a perda de carga. Em suma, quanto maior for o caudal transportado por uma conduta e menor for o diâmetro, maior será a perda de carga.
Seguidamente, na figura 36 analisara-se o regime de pressões ao qual a rede está sujeita verificando se estão dentro dos valores limites estabelecidos pela legislação em vigor.
Figura 36 – Pressões nos nós e o Caudal nos troços
O intervalo de pressões que o sistema de distribuição apresenta (figura 37), isto é, entre 0 metros de coluna de água (m.c.a.), no reservatório, em superfície livre, evidenciado a branco e os 100 m.c.a., os nós assinalados a vermelho mais escuro. As
pressões, em escoamentos sob pressão, dependem de vários factores, como o diâmetro, rugosidade e caudal das tubagens, bem como do desnível topográfico. No entanto, em sistemas de distribuição, as pressões variam de acordo com as solicitações/consumos a que rede está sujeita, isto quer dizer que quanto maior forem os consumos menores serão as pressões. Por isso, teria sido interessante analisar as pressões nas várias horas do dia, fundamentalmente, nas horas nocturnas em que as solicitações na rede são diminutas, aumentando substancialmente as pressões. Porém, como já foi dito anteriormente, devido à falta de informação relativamente aos dados de facturação, não foi possível expressar a variável temporal na simulação, estando nós, por isso, perante uma simulação estática.
O software de simulação EPANET 2.0, permite também a saída dos resultados em forma de tabela. Esta é uma ferramenta importante e prática, já que possibilita ao utilizador visualizar e manipular os resultados mais detalhadamente. Consequentemente, ao analisar os valores de pressões na tabela dos nós, foi possível realizar um gráfico para verificarmos a distribuição da pressão na rede, conforme se ilustra na figura 37.
Analisando a figura 38, acima representada, é possível verificar que a pressão máxima é da ordem dos 120 m.c.a.. Segundo o Decreto regulamentar 23/95 de 23 de
Agosto de 1995, artigo 21º 1.c), a pressão máxima permitida pelo regulamento para os
sistemas públicos de distribuição de água é de 60 m.c.a.. Vendo a distribuição de pressão na rede, podemos constatar que cerca de 50 % da rede se situa acima do valor regulamentar. Desta forma, será conveniente ponderar a instalação de VRP’s na rede para colmatar este problema, cenário desenvolvido no ponto seguinte do presente capítulo.
No Regulamento Geral dos Sistemas Públicos e Prediais de Distribuição de
Água e de Drenagem de Águas Residuais (RGSPPADAR), artigo 21º, 1.a) e b),
estabelecem-se valores limite para as velocidades mínimas e máximas de escoamento. Parece-me pertinente referir que quando o escoamento se processa a velocidades elevadas vai provocar uma menor durabilidade do material, provocando um maior desgaste e consequentemente o surgimento de eventuais roturas. Relativamente à velocidade mínima de escoamento, quando esta se processa com valores muito baixos provoca um depósito de partículas na conduta. Por isso, o regulamento estabelece um valor limite para as velocidades máximas e mínimas de escoamento.
Desta forma, apresenta-se na figura 38 um mapa da rede com a distribuição espacial do campo de velocidades do sistema.
Em termos de velocidades máximas, constata-se na figura 39 que a rede não apresenta grandes debilidades. Contudo, como podemos ver, a maioria dos troços, salvo um troço mais escuro e mais espesso, apresenta uma cor verde clara, isto é, velocidades inferiores a 0.30 metros por segundo (m/s), pois a velocidade mínima regulamentar permitida pelo regulamento é de 0.30 m/s para o caudal de ponta no início de exploração do sistema.
Na figura 39, ilustra-se a distribuição de velocidades do sistema confirmando a quantidade de troços com velocidades inferiores à regulamentar.
Figura 39 – Distribuição de Velocidades na rede
Confirma-se que aproximadamente 1% dos troços está acima do valor mínimo regulamentar. Como tal, uma das soluções possíveis para resolver o problema, seria a redução da secção da tubagem sem nuca ultrapassar o diâmetro mínimo regulamentar. A substituição dos troços com velocidades inferiores à regulamentar por uns com um diâmetro menor aumentará a velocidade, pois quanto menor for o diâmetro maior será a velocidade. Importa referir, com esta medida, aumentando a velocidade estaríamos também a solucionar outro problema, o das pressões elevadas. Porém, dada a quantidade de tubagens com velocidades não regulamentares, esta solução seria demasiada dispendiosa do ponto de visto económico e de disponibilidade de mão-de-
obra. Desta forma, seria mais sensato prever, regularmente, umas descargas de fundo para um esvaziamento das tubagens, pois assim poderíamos proceder às eventuais operações de limpeza evitando a acumulação de partículas discretas, na conduta.
4.2.
Cenário 1: instalação de Válvulas Redutoras de Pressão
(VRP’s)
A elaboração deste cenário surge na sequência dos problemas identificados nos resultados gerais da rede. Como tal, pretende-se apresentar uma proposta viável para resolver o excesso de pressões registadas na rede através da instalação de VRP’s.
As válvulas redutoras de pressão têm como função principal reduzir a pressão de jusante até um valor prédefinido. Estas introduzem no sistema uma perda de carga localizada de valor igual à diferença entre a pressão a montante e a jusante da válvula (Grilo, 2007).
Na figura 40, são apresentadas as zonas afectadas pelas VRP’s, assim como as pressões registadas antes da instalação das mesmas.
Figura 40 – Zonas afectadas pelas VRP’s e pressões na rede antes da instalação
Nunca é demais referir que a entidade gestora do sistema, EMARVR, tem conhecimento do elevado registo de pressões que a rede apresenta. As causas para tal registo, como já foi referido anteriormente, devem-se, fundamentalmente, ao elevado desnível topográfico existente. Neste sentido, para reduzir as pressões da rede propõe-se
a instalação de duas VRP’s nos locais assinalados na figura 41, assim como a redução da pressão de saída da VRP do Bairro do Marrão.
Figura 41 – Localização das VRP’s e pressão na rede antes da instalação
As VRP’s instaladas são do mesmo tipo e com características semelhantes às já instaladas no sistema do Pisco, conforme se ilustra no quadro 6.
Quadro 6 – Características das VRP’s instaladas, VRP 1 e 2.
VRP's
Diâmetro da conduta
(mm) Diâmetro
(mm)
Pressão (m.c.a.)
Montante Jusante Montante Jusante
VRP 1 125 125 110 67.44 30.00
VRP 2 315 315 250 44.12 20.00
Como vemos no quadro 6 a perda de carga localizada provocada pela VRP 1 e 2 é de, 37.44 m.c.a., e 24.12 m.c.a., respectivamente.
Na VRP do Bairro do Marrão procedeu-se à alteração da pressão de saída da válvula diminuindo-se a mesma. No quadro seguinte, constam as características da VRP do Bairro do Marrão, assim como as modificações induzidas na VRP em causa.
Quadro 7 – Características da VRP do Bairro do Marrão antes e após as modificações VRP's Diâmetro da conduta (mm) Diâmetro (mm) Pressão (m.c.a.) Estado
Montante Jusante Montante Jusante
Antes B. do
Marrão 160 160 125 68.62 20.00 Activa
Depois B. do
Marrão 160 160 125 44.14 10.00 Activa
Neste quadro, evidenciam-se a pressão a montante da VRP do Bairro do Marrão antes e após a instalação das duas VRP’s, bem como a alteração efectuada na pressão prédefinida a jusante da VRP. É possível ainda deduzir as diferenças relativas à perda de carga induzida pela referida VRP, ou seja, a perda de carga diminuiu de 48.62 m.c.a. para 24.14 m.c.a..
O resultado obtido com o cenário em mérito consta na figura 42 na qual se pode visualizar a melhoria funcional introduzida com este cenário no sistema.
Como podemos constatar pela representação colorida dos nós, vemos bem o tom mais claro de vermelho que a rede apresenta. Efectuando a correspondência em termos de cores com a legenda, constata-se que uma quantidade de nós que apresentava um registo acima dos 60 m.c.a. (máximo regulamentar) encontra-se, após as VRP’s instaladas, abaixo da pressão máxima permitida pelo regulamento.
É possível confirmar esta melhoria funcional do sistema, através da elaboração de um gráfico, com a distribuição de pressões da rede (figura 43).
Figura 43 – Distribuição de pressão na rede após a instalação das VRP’s
Evidencia-se a melhoria funcional introduzida no sistema com a instalação das VRP’s. Antes da instalação das VRP’s, 50% da rede encontrava-se fora dos parâmetros regulamentares, isto é, acima dos 60 m.c.a.. É possível constatar que com esta alteração, cerca de 90% da rede se encontra abaixo dos 60 m.c.a., isto é, somente 10% da rede regista uma pressão acima do valor máximo permitido.
Neste cenário é notória a vantagem do uso do EPANET 2.0, dado que para além da análise dos dados operacionais, permitiu encontrar os problemas da rede em termos de pressões. Consequentemente, foi possível identificar e experimentar o melhor local para a instalação das VRP’s de uma forma bastante rápida, optimizando e melhorando a gestão do sistema.
4.3.
Cenário 2: substituição de uma tubagem por uma outra
de diâmetro superior
A substituição da tubagem provocou modificações no funcionamento hidráulico da rede, nomeadamente, no sentido dos escoamentos, na distribuição dos caudais pelas tubagens, assim como no registo de pressões.
Neste sentido, na figura 44 ilustram-se as alterações provocadas pela substituição, assinalando-se a vermelho os troços onde o sentido de escoamento se alterou.
Figura 44 – Alteração dos sentidos de escoamento antes e após a substituição da tubagem
Ao aumentar o consumo e o diâmetro da tubagem, aumenta necessariamente o caudal a transportar pela mesma. Resultando, neste caso concreto, numa diminuição das pressões, aumentando o caudal e o diâmetro, diminui a pressão. Nas figuras que se seguem apresentam-se as pressões nos nós, assinalados a vermelho, e os caudais nos troços, representados a verde, antes e depois da substituição, figura 45 e 46, respectivamente.
Figura 45 – Pressão nos nós e Caudal nos troços antes da substituição
Figura 46 - Pressão nos nós e Caudal nos troços após a substituição
Como podemos ver, a substituição da tubagem por uma de diâmetro superior e o consequente aumento de consumo, provocou um pequeno aumento do caudal e uma respectiva diminuição da pressão continuando esta dentro dos valores regulamentares.
Mesmo que estas variações não sejam significativas, a elaboração deste cenário permite verificar e compreender todo o funcionamento hidráulico da rede nestas operações, possibilitando a elaboração, com rigor e antecedência, de planos para as operações do quotidiano das entidades.
4.4.
Cenário 3: reparação de uma tubagem danificada
Na sequência de uma intervenção deste tipo, a reparação de uma tubagem, surgem uma série de situações e modificações que devem ser alvo de estudo. Como tal, existe uma que é fácil de identificar, a interrupção do escoamento na conduta afectada pela rotura, troço 2-1, interrupção essa que provocará alterações no comportamento hidráulico no local da rede em causa, nomeadamente, em termos de pressões, caudais e sentidos de escoamento, os quais passamos, já de seguida, a analisar.
Na figura 47, apresentam-se as alterações provocadas nos sentidos de escoamentos pela reparação.
Figura 47 – Alteração dos sentidos de escoamentos antes e durante a reparação
Como se pode visualizar, casualmente não existe nenhum troço em que o sentido de escoamento se alterou, sendo que o troço 2-1, afectado pela rotura, durante a reparação não apresenta alteração no sentido de escoamento, pois não tem caudal, a conduta está fechada.
As pressões e os caudais registados na rede durante a operação serão outros aspectos importantes de analisar. As figuras 48 e 49 ilustram as pressões nos nós, assinaladas a vermelho, e os caudais nos troços, assinalados a verde, antes e durante a reparação da conduta, respectivamente.
Figura 48 – Pressões nos nós e Caudais nos troços antes da reparação da conduta
Em termos de pressões, como podemos constatar, não existe uma variação significativa, havendo apenas uma variação décimal no valor registado. Como a pressão e perda de carga estão directamente relacionadas, a variação de ambas é da mesma ordem, isto é, pequena. Todavia, relativamente aos caudais, é notória a sua variação, dado que a distribuição dos caudais efectua-se pelas restantes tubagens. Sendo as velocidades directamente proporcionais aos caudais, estas apresentam a mesma variação. Assim, em termos de comportamento hidráulico, o sistema apresenta uma boa capacidade de resposta no processo de reparação da conduta e, sobretudo, é de salientar que a utilização do modelo de simulação neste caso, permite uma melhor percepção de todo funcionamento hidráulico da zona afectada, no que diz respeito às pressões, à distribuição de caudais, às velocidades, entre outros. Possibilita também uma actuação, por parte da equipa responsável das roturas, mais organizada e eficiente.