Gestão e Monitorização do Sistema Público de Distribuição de Água de Vila Real – Zona Pisco

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Departamento de Engenharias

Gestão e Monitorização do Sistema Público de Distribuição de Água

de Vila Real – Zona do Pisco

Por

Rui Agostinho Da Silva

Dissertação apresentada para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia

Civil pela Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Departamento de Engenharias

Gestão e Monitorização do Sistema Público de Distribuição de Água

de Vila Real – Zona Pisco

Rui Agostinho Da Silva

Mestrado em Engenharia Civil

Orientador:

Luís Filipe Sanches Fernandes

Dissertação apresentada para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia

Civil pela Universidade de Trás os Montes e Alto Douro

À memória da minha mãe, Maria Emília de Jesus Faria, que Deus a guarde.

AGRADECIMENTOS

O trabalho em mérito teve o apoio, a contribuição e o estímulo de várias pessoas e instituições às quais desejo salientar o meu sincero apreço e reconhecimento.

Ao Prof. Doutor Luís Filipe Sanches Fernandes, meu orientador científico, pela valiosa orientação demonstrada no presente trabalho, pelo apoio técnico e humano incondicional que tantas vezes superou o espectável.

Ao Prof. Ricardo Bento, por todo o apoio e disponibilidade demonstrado no desenvolvimento do trabalho.

Ao Professor Doutor Sérgio Teixeira Coelho, o meu sincero agradecimento pela disponibilidade e ajuda empregue na fase final do trabalho.

A EMARVR, entidade responsável pelo sistema alvo de estudo, nomeadamente, à Engª Arcília Costa e ao Engº Domingos Palheiro pelo apoio, paciência e disponibilidade demonstrada ao longo do trabalho. Ao Sr. Borges e ao Sr. Guedes, técnicos responsável da EMARVR, quero destacar a minha sincera gratidão pela paciência, disponibilidade, amizade e doa disposição demonstrada na elaboração do cadastro digital da rede.

Ao meu pai, pelo amor, carinho e paciência, e por todos os valores transmitidos ao longo da minha vida que tanto me ajudaram a percorrer esta longa caminhada.

Aos meus irmãos e em especial, à minha irmã Sónia, pela dedicação, disponibilidade e motivação demonstrada em todo o trabalho e na vida.

A toda a minha família o meu sincera apreço pela amizade, afecto e disponibilidade manifestado em toda a minha vida.

Aos meus amigos pela amizade e por todos os bons momentos passados neste meu percurso académico.

RESUMO

Nos dias que correm a água assume um papel vital para a humanidade. Perante os actuais problemas de escassez de água, a modelação matemática na simulação de sistemas de abastecimento, constitui cada vez mais uma ferramenta essencial para uma gestão técnica eficiente, das várias actividades que são do domínio das entidades gestoras.

A existência de um Sistema de Informação Geográfica (SIG), permite usufruir de uma base de dados, onde vigora um vasto leque de informações relativas aos sistemas de abastecimento de água, possibilitando uma manipulação e exploração desses dados para aplicar nos modelos de simulação.

O objectivo do presente trabalho centra-se, fundamentalmente, na contribuição para uma abordagem sistémica, integrada e preditiva da gestão das águas, através da associação de um SIG a um modelo de simulação matemático (EPANET 2.0), procurando, demonstrar, como tal ferramenta se mostra deveras importante, para aplicar na gestão e monitorização dos sistemas públicos de distribuição de água.

Os resultados produzidos neste trabalho permitiram, aprimorar o conhecimento geral acerca do sistema de distribuição, alvo de estudo. Não tendo dados georeferenciados, a criação de um cadastro digital num SIG permite á entidade gestora organizar a informação, dispondo, assim, para futuro, de um instrumento que certamente se revelará imprescindível, sempre que aquela se proponha optimizar os recursos em análise.

Neste seguimento, dir-se-á que, os resultados produzidos da rede em geral, permitiram detectar as elevadas pressões que se fazem sentir no sistema, cerca de 50%. Visando dar uma resposta ao problema identificado, foi criado um cenário para a resolução do mesmo, o qual consistiu na instalação de duas Válvulas Redutoras de Pressão (VRP), vindo, a verificar-se que, após a instalação das mesmas, a distribuição de pressões diminuiu de forma significativa (50% para 13%), ou seja, dito de outra

forma, 87% da rede de distribuição acusa pressões abaixo dos 60 m.c.a. regulamentares, após a simulação efectuada (com VRP’s).

Por último, sob o presente modelo, foram ainda criados vários cenários, o qual permite de forma prática, simples e eficiente visualizar as diversas alterações dos parâmetros hidráulicos, provocadas pela substituição e reparação de tubagens, práticas usuais e integradas nas entidades gestoras dos sistemas.

Palavras-chave: Gestão, Sistémica, Integrada, Preditiva, Monitorização, Abastecimento de Água, EPANET, SIG.

ABSTRACT

Nowadays the water assumes a vital role for humanity. Given the current problems of water scarcity, the mathematical model to simulate water supply systems, is increasingly becoming an essential tool for an efficient management technique of the various activities managers.

The existence of a Geographic Information System (GIS), allows a database, where exists a wide range of information on the systems for water supply of allowing the manipulation and exploitation of such data to be applied in simulation models.

The aim of this work is mainly the contribution to a systemic approach, integrated and predictive management of water, through the combination of GIS to a mathematical simulation model (EPANET 2.0). For demonstrate how this tool is important to apply the management and monitoring system of public water supply.

The results of this work allowed, to improve the general knowledge about the distribution system. Since geo-referenced data, creating a digital record in a GIS allows the fund manager to organize information, possessing, so in the future, a tool that will certainly prove to be indispensable, whenever that is proposed to optimize the resources in question.

Following the output of the general network, revealed the high pressures that are felt in the system, about 50%. In order to give an answer to the problem identified, was created a scenario for resolve it which consisted of installing two pressure reducing valve (PRV), verifying, after installing that, the distribution of pressure decreased significantly (50% to 13%). This means that, 87% of the distribution network charges pressures order 60 mca regulations.

Finally, were created several scenarios, which allows a practical, simple and efficient view of the various changes in hydraulic parameters. Caused by replacement or repair of pipes, the usual practices and integrated into systems management companies.

Keywords: Management, Systemic, Integrated, Predictive, Monitoring, Water Supply, EPANET, GIS.

ÍNDICE

2.1.2. Conferência do Rio (Agenda 21) ... 12

2.1.3. A Directiva Quadro da Água: ... 14

2.1.4. O Plano Nacional para o Uso Eficiente da Água (PNUEA) ... 14

2.2. A Gestão da Água em Portugal ... 16

2.3. Sistemas de Abastecimento de Água ... 18

2.3.1. Perdas nos sistemas públicos de abastecimento ... 20

2.3.2. Fugas e perdas nos sistemas de distribuição de água ... 21

2.4. Modelos de Simulação ... 23

2.4.1. Características de alguns modelos ... 24

2.4.2. Calibração dos Modelos ... 26

2.5. Sistemas de Informação Geográfica (SIG) ... 27

2.6. Casos práticos de modelos de simulações utilizando o software EPANET ... 30

2.6.1. Sistema Regional do Carvoeiro ... 30

2.6.2. Sistema de distribuição de água na cidade de Santa Maria, Brasil ... 34

3. METODOLOGIA ... 37

3.1. Enquadramento ... 37

3.2. Caracterização da área de estudo ... 39

3.3. Ferramentas utilizadas ... 43

3.3.1. Software EPANET ... 43

3.3.2. Sistemas de Informação Geográfica (SIG) ... 46

3.3.4. Extensão Utilitários ... 47

3.4. Caso de estudo ... 48

3.4.1. O modelo da rede no EPANET ... 48

3.4.2. Planeamento do desenvolvimento do modelo ... 49

3.4.3. Construção do modelo: Descrição física do sistema do Pisco... 51

3.4.4. Construção do modelo: Dados de entrada... 53

3.4.5. Construção do modelo: Consumos ... 62

3.4.6. Simulação ... 65

3.5. Elaboração de cenários ... 71

3.5.1. Cenário 1: instalação de Válvulas Redutoras de Pressão (VRP’s) ... 71

3.5.2. Cenário 2: substituição de uma tubagem por uma outra de diâmetro superior ... 71

3.5.3. Cenário 3: reparação de uma tubagem danificada ... 73

4. RESULTADOS E ANÁLISE DE SENSIBILIDADES ... 76

4.1. Resultados gerais ... 76

4.2. Cenário 1: instalação de Válvulas Redutoras de Pressão (VRP’s)... 86

4.3. Cenário 2: substituição de uma tubagem por uma outra de diâmetro superior ... 90

4.4. Cenário 3: reparação de uma tubagem danificada ... 92

5. CONCLUSÕES ... 96

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 – Organização do trabalho ... 6

Figura 2 – Principais elementos dos sistemas de abastecimento de água, com identificação dos componentes do balanço hídrico e localização dos pontos de medição de caudal (Coelho et al, 2006)... 18

Figura 3 – Pontos frequentes de Vazamentos em Redes de Distribuição (adaptado de Moura et al, 2004)21 Figura 4 – Estrutura Geral de Sistemas de Informação Geográfico (Câmara e Queiroz, 2009) ... 29

Figura 5 – Municípios do Distrito de Vila Real ... 38

Figura 6 – Área de abrangência da EMARVR (EMARVR, 2009) ... 40

Figura 7 – Freguesias da zona do pisco ... 41

Figura 8 – Reservatório de distribuição com duas células (Sá Marques e Sousa, 2006) ... 42

Figura 9 – EPANET (USEPA, 2008) ... 43

Figura 10 – Ambiente EPANET 2.0 em português disponibilizado pelo LNEC ... 45

Figura 11 – Extensão DC Water Design ... 46

Figura 12 – Extensão Utilitários de Edição ... 47

Figura 13 – Activação da extensão DC Water Design ... 51

Figura 14 – Rede existente no cadastro ... 52

Figura 15 – Temas do EPANET ... 52

Figura 16 – Rede de distribuição de água da zona do “pisco” de Vila Real ... 53

Figura 17 – Entrada de dados no tema “Condutas” ... 54

Figura 18 - Entrada de dados no tema “Juncoes” ... 57

Figura 19 – Válvulas Redutoras de Pressão do Pisco ... 59

Figura 21 – Entrada de dados no tema “Reservatórios” ... 61

Figura 22 – Check Epanet Model ... 65

Figura 23 – Make Epanet Model ... 66

Figura 24 – Resumo do modelo Epanet ... 66

Figura 25 – Write Epanet File ... 67

Figura 26 – Ficheiro “.INP” exportado do ArcView ... 68

Figura 27 – Modelação das VRP’s no EPANET 2.0 ... 69

Figura 28 – Padrão temporal ... 70

Figura 29 - Simulação ... 70

Figura 30 – Identificação da localização e da tubagem a substituir ... 72

Figura 31 – Identificação da localização e da tubagem afectada pela rotura ... 73

Figura 32 – Mapa da rede de distribuição do Pisco ... 77

Figura 33 – Isolinhas das cotas topográficas ... 78

Figura 34 – Carga Hidráulica nos nós e Caudal nos troços ... 79

Figura 35 – Perda de Carga nos troços ... 80

Figura 36 – Pressões nos nós e o Caudal nos troços ... 81

Figura 37 – Distribuição de Pressão na rede ... 82

Figura 38 – Campo de velocidades da rede ... 83

Figura 39 – Distribuição de Velocidades na rede ... 84

Figura 40 – Zonas afectadas pelas VRP’s e pressões na rede antes da instalação ... 86

Figura 41 – Localização das VRP’s e pressão na rede antes da instalação ... 87

Figura 42 – Pressão na rede após a instalação das VRP’s ... 88

Figura 44 – Alteração dos sentidos de escoamento antes e após a substituição da tubagem ... 90

Figura 45 – Pressão nos nós e Caudal nos troços antes da substituição ... 91

Figura 46 - Pressão nos nós e Caudal nos troços após a substituição ... 91

Figura 47 – Alteração dos sentidos de escoamentos antes e durante a reparação ... 92

Figura 48 – Pressões nos nós e Caudais nos troços antes da reparação da conduta ... 93

ÍNDICE DE QUADROS

Quadro 1 – Dados necessários para a simulação do sistema do Carvoeiro 31

Quadro 2 – Elementos utilizados para a modelação de uma rede (Coelho et al, 2006) 49

Quadro 3 – Valores usados para os diferentes materiais 56

Quadro 4 – Características das VRP’s do sistema do Pisco 69

Quadro 5 – Características das tubagens 72

Quadro 6 – Características das VRP’s instaladas, VRP 1 e 2. 87

SIMBOLOGIA

Símbolo

Designação

Águas de Trás-os-Montes e Alto Douro

Do inglês Comput er – Aided Desing, desenho assistido por computador Câmara Municipal de Vila Real

Directiva-Quadro da água

Empresa Municipal de Águas e Resíduos de Vila Real Environmental Systems Research Institute

Estação de Tratamento de Água Ferro Fundido

Ferro Fundido Dúctil

Laboratório Nacional de Engenharia Civil litro por segundo

Ministério do Ambiente e Ordenamento do Território metro

metro de coluna de água milímetro

metro cúbico metro por segundo

Nomenclatura de Unidades Territoriais para fins estatísticos Plano Bacia Hidrográfica

Plano Estratégico de Abastecimento de Água e de Saneamento de Águas Residuais

Plano Nacional de Água

Programa Nacional para o Uso Eficiente da Água Policloreto de Vinilo

Reservatório de Nível Fixo Reservatório de Nível Variável Sistema de Informação Geográfica União Europeia

Capítulo 1

1.

Enquadramento

1.1.

Contextualização/Generalidades

O sistema de abastecimento de água, é constituído por um conjunto de obras hidráulicas que visam assegurar o transporte de água potável até às populações. Dada a importância deste sistema para o desenvolvimento sócio-económico e ambiental da sociedade, podemos então considerar que se trata de uma das obras mais relevantes de uma cidade/país.

Neste sentido, a função ou atribuição essencial das entidades responsáveis pela gestão do sistema de abastecimento é a de disponibilizar água, sem interrupções, em quantidade e qualidade suficientes. Tarefa ou responsabilidade que deverá ser levada a cabo sem colocar em crise as gerações futuras. Todavia, tem-se vindo a constatar que a sensibilização daquelas entidades a esta problemática não tem correspondido às expectativas. Na verdade, o planeamento e a gestão destes sistemas encontram-se relegados para segundo plano, caracterizando-se por muitas e gravosas lacunas, cuja eliminação das mesmas exige dos responsáveis técnicos um conhecimento profundo do sistema em si e das suas condições de operacionalidade, sob pena de se verificarem prejuízos significativos ao nível das perdas de água.

Várias têm sido as tentativas para a sensibilização deste problema, a nível mundial, no entanto, os progressos nesta área não têm surtido efeito. A utilização de modelos matemáticos comput acionais, constituem uma óptima solução para fazer face às exigências actuais para a gestão sustentável dos sistemas de abastecimento.

O presente trabalho, na busca incessante da solução adequada, representa mais uma tentativa ou contribuição de solucionar esta problemática, na medida em que, procura apresentar novas metodologias, as quais têm como finalidade nuclear auxiliar a entidade gestora do sistema de abastecimento, visando obter o funcionamento adequado do mesmo, dentro de padrões e condições técnicas regulamentares, susceptíveis de provocarem menor impacto sócio-económico e ambiental.

1.2.

Objectivos do trabalho

De um modo geral, o objectivo do presente trabalho, centra-se na aplicabilidade de uma solução possível para optimizar o funcionamento hidráulico do sistema de distribuição de água, reduzindo, para níveis mínimos, as perdas de água existentes no sistema. Exposto o objectivo geral deste trabalho, passamos, de seguida, a expôr os vários objectivos específicos pretendidos.

A aplicação e avaliação da utilização do modelo de simulação hidráulica integrado num Sistema de Informação Geográfico EPANET e ArcView, respectivamente, num sistema de distribuição de água em Vila Real.

A optimização do funcionamento hidráulico do sistema de distribuição público de água, requer, necessariamente o conhecimento de determinados parâmetros hidráulicos, tais como: as pressões, os caudais, bem como os processos que englobam a temática das perdas e fugas neste sistema.

A análise e detecção de fugas e perdas no sistema de distribuição, eventualmente, a detecção de ligações clandestinas, apresentando-se o modelo como uma alternativa válida para solucionar esta problemática.

Em virtude dos resultados apresentados e caso se justifique, elaborar uma solução fundamentada, propondo as devidas alterações necessárias na rede de distribuição de água existente.

Por último, mostrar a relevância, junto da entidade gestora dos sistemas de distribuição de água, da utilização do modelo de simulação para o desenvolvimento social, ambiental e económico da sociedade e da empresa.

1.3.

Conteúdo

Numa fase inicial do trabalho, efectuou-se uma abordagem ao tema fazendo um levantamento dos conhecimentos actuais. Neste seguimento, dir-se-á que a apreensão de conhecimentos nesta matéria faz-se através de livros, artigos científicos publicados em revistas ou em websites de renome científico, comunicações em congressos, encontros ou seminários, contactos com especialistas portugueses ligados à temática deste trabalho. Estas fontes de consulta ou pesquisa, e conforme se há-se concluir mais adiante, revelaram-se essenciais na elaboração do presente trabalho.

Assim, no plano tecnológico, nos países civilizados e mais desenvolvidos as preocupações com os sistemas de abastecimento de água concentram-se fundamentalmente ao nível da qualidade da água, bem como na eficiência operacional dos próprios sistemas.

Em Portugal, a gestão destes serviços tem vindo a sofrer melhorias progressivas em termos de qualidade e quantidade de água, reveladoras de uma maior preocupação em acompanhar as metas atingidas nos países mas avançados. Desde logo, é hoje pacífico e de salutar que a preocupação com o tema em análise, por banda dos dirigentes políticos, se tem vindo a acentuar, conclusão que se alcança dos vários instrumentos criados em torno desta temática. No que diz respeito aos gestores públicos e privados, assim como aos técnicos dedicados a este assunto, as comunicações apresentadas nos diversos encontros e congressos, evidenciam o interesse e a enormíssima sensibilidade dos mesmos para com o problema.

Posto isto, e sem demais delongas, passaremos agora a expôr a linha de orientação seguida na organização do referido trabalho, a qual se encontra ilustrada pela figura 1.

“Um esquema vale por mil palavras” Ditado popular

Figura 1 – Organização do trabalho

Capítulo 1 Enquadramento Capítulo 2 Revisão da literatura Capítulo 3 Metodologia Capítulo 4 Resultados e análise de sensibilidades Capítulo 5 Conclusões

Como podemos constatar pela figura 1, o presente trabalho está sistematizado em cinco capítulos, os quais se vão apresentar de seguida, de forma sintética e no qual se inclui a presente introdução (Capítulo 1).

Sob o Capítulo 2, efectua-se uma revisão do “estado da arte”. Abordam-se os recursos hídricos, identificando os problemas e as soluções, apresentando as políticas internacionais e nacionais desenvolvidas neste domínio. Efectua-se, assim, uma breve abordagem à forma como a água é gerida a nível nacional. Apresentam-se os problemas, em termos de perdas e fugas de água, inerentes aos sistemas de abastecimento; classificam-se os modelos de simulação; apresentam-se alguns dos modelos computacionais existentes, bem como a importância da calibração para os mesmos.

Por último, descreve-se, sucintamente, os Sistemas de Informação Geográfica (SIG) e a sua utilização, e apresentam-se dois casos práticos da utilização do modelo de simulação EPANET em sistemas de distribuição de água.

Sob o Capítulo 3 apresenta-se a metodologia utilizada para o desenvolvimento do presente trabalho, onde se faz um enquadramento da cidade e do sistema de distribuição de água alvo de estudo. As ferramentas utilizadas no trabalho, também são apresentadas neste capítulo, nomeadamente, o EPANET e o ArcView, desenvolvido pela “Environmental Protection Agency (EPA)” dos Estados Unidos de América e pela

“Environmental Systems Research Institute (ESRI)” de Portugal. Em último,

apresentam as linhas de orientações seguidas para modelar o sistema, assim como os cenários criados.

Sob o Capítulo 4 elabora-se uma análise e interpretação de resultados para os vários cenários criados, apresentando, caso seja necessário, as soluções para mitigar e/ou reduzir as falhas detectadas.

O Capítulo 5 é dedicado às conclusões gerais e específicas deste trabalho, assim como novas artes de potencial interesse científico susceptíveis de virem a revelar-se merecedoras de investigações futuras nesta temática.

Capítulo 2

2.

Revisão da literatura

2.1.

Os Recursos Hídricos

2.1.1.

Problemas e soluções

Como é do conhecimento geral, e já exposto nesta peça, a água é um bem essencial e indispensável à vida dos seres vivos. No que diz respeito à água doce, esta é fundamental para o desenvolvimento económico, social e ambiental. Daí a necessidade vital de serem adoptadas medias e práticas quotidianas no sentido de a preservar, já que se trata de um bem limitado e bastante reduzido.

Na verdade, o ciclo hidrológico tem um papel preponderante na distribuição e disponibilidade da água. A sua má distribuição no planeta contribui, em grande parte, para a escassez de água que alguns países vivem, sendo que, como certamente ninguém ignora, alguns vivem com extrema escassez de água (Kuwait, Emirados Árabes Unidos, Ilhas Bahamas, Faixa de Gaza – território palestiniano) (Tundisi, 2003).

O recurso à água é sinónimo de desenvolvimento económico. Afirmação que se te vindo a fixar nos últimos anos, ciclo onde a diversidade das actividades económicas

gera maior multiplicidade de usos de água. Por isso, podemos concluir, que quanto maior for a diversidade das actividades económicas maior será a utilidade da água. Neste contexto, dir-se-á que a experiência mostra que a procura de água é directamente proporcional ao grau de desenvolvimento de um determinado país. Neste contexto, verifica-se que a crescente urbanização provoca várias alterações no ciclo hidrológico e aumenta significativamente a procura de água, bem como todos os custos inerentes ao abastecimento e saneamento da mesma. Em suma, todos estes aumentos sobrecarregam os recursos hídricos subterrâneos e superficiais, constituindo, assim, alguns obstáculos à sua sustentabilidade.

No que tange aos vários impactos dos recursos hídricos, os mesmos poderão ser descritos da seguinte forma: o aumento e a diversificação dos usos múltiplos, o extenso grau de urbanização e, por fim, o aumento populacional. Segundo Tundisi, 2003, estes impactos têm de ser alvo de uma análise criteriosa no sentido de encontrarmos novas tecnologias, quer de monitorização, quer de gestão da água. O mesmo autor conclui que, de facto, o que tem sido feito até à data nesta matéria fica aquém das expectativas, está ultrapassado e merece uma especial atenção.

Como certamente ninguém ignora, em consequência do desenvolvimento económico-social do planeta há uma necessidade crescente de duplicar a produção de alimentos. Mas, para obter tal propósito, seria necessária uma análise adequada dos recursos hídricos. Tal missão ainda não se prevê concretizada, no entanto parte do problema já se encontra resolvido, através do aumento da área irrigada, como sucedera na Ásia e na Índia.

Como certamente por todos é sabido, a produção agrícola depende, fundamentalmente, da área irrigada, da precipitação natural e também da água produzida por aquíferos subterrâneos. A água consumida na agricultura é cerca de 70% da disponibilidade total. Daí decorre que, há uma enorme necessidade de reduzir esse uso. A questão é saber como? Seguindo mais uma vez Tundisi, 2003, tal tarefa pode ser posta em prática, através da introdução de tecnologias adequadas, não esquecendo a eliminação de desperdícios e, porque não, a reutilização e reciclagem da água. Para além disso, é imperativo investir em novas técnicas de irrigação melhorando assim, o uso da água e economizando os recursos hídricos, sempre de uma forma ajustada, tendo

em conta os diferentes continentes. Por outras palavras, a utilidade da água depende de vários factores, a saber, o tipo de solo, o clima, o tipo de cultura e as características do ciclo hidrológico local ou regional.

As alterações climáticas são fundamentais para o ciclo hidrológico, influenciam directamente a qualidade e a quantidade da água de um determinado território. Citando renovadamente Tundisi, 2008, é necessário abordar este problema segundo três directivas, extremos hidrológicos, contaminação da água e, de um modo geral, água e economias regionais e nacionais. A utilização de tecnologias avançadas de

monitorização e gestão é indispensável para nos adaptarmos a essas alterações

climáticas desenvolvendo uma melhor gestão, em particular, a nível de bacias hidrográficas.

Perante as actuais mudanças climáticas, problemática partilhada por toda a comunidade global e merecedora de especial atenção por parte da comunicação social (vide o caso de sucesso do Nobel da Paz Al Gore), acentuou-se a necessidade de haver uma intensa cooperação internacional, especialmente ao nível das bacias hidrográficas partilhadas por vários países. O desenvolvimento destas últimas tem sido alvo de discussão e análise, com o objectivo de encontrar soluções conjuntas para a resolução de problemas comuns. Assim sucede na América do Sul, onde a exigida cooperação internacional se tem desenvolvido na bacia do Prata, compartilhada pela Argentina, Brasil, Chile, Paraguai e Uruguai. Esta cooperação incide, por um lado, sobre acções conjuntas de monitorização, tendo em vista obter o controlo da qualidade da água, por outro lado, sobre estudos conjuntos para avaliar o impacto dos usos do solo na contaminação e degradação dos recursos hídricos. Por fim, a aludida cooperação visa também realizar programas de acção conjunta, tendo como finalidade qualificar os gestores dos recursos hídricos. Concluindo, o resultado destas acções e actividades têm incentivado o desenvolvimento de políticas de longo prazo para a gestão desta bacia. Hoje em dia, são conhecido 150 acordos internacionais relacionados com o tema em mérito, sendo que bacias hidrográficas transfronteiriças, estão em curso na Europa e nos Estados Unidos (Tundisi, 2008).

Em jeito de conclusão, dir-se-á que, segundo alguns reconhecidos especialistas, a crise da água no século XXI é muito mais um problema de gestão do que

propriamente uma crise real de escassez e stress (Rogers et al, 2006). Este trabalho, propõe realçar essa perspectiva ou ângulo de visão, procurando ser um instrumento de motivação para todos os que, seja por razões funcionais ou outras, revelem maior interesse na discussão desta matéria. Tundisi e Matsumura-Tundisi, 2008, apelam à necessidade de uma abordagem sistémica, integrada e preditiva quanto à gestão das águas com uma descentralização para a bacia hidrográfica. O nosso trabalho assenta precisamente nesta forma de gerir a água, isto é, demonstrar a necessidade ter uma base de dados consolidada e transformada num instrumento de gestão, de forma a possibilitar, também, por esta via, combater o problema de escassez de água com mais eficácia. Não se ignora certamente Tundisi, 2008, quando refere que uma das principais causas da “crise da água” se caracteriza pela infra-estrutura pobre e em estado crítico, em muitas áreas urbanas com até 30% de perdas na rede após o tratamento das águas.

2.1.2.

Conferência do Rio (Agenda 21)

A Agenda 21, mais precisamente o capítulo 18, aborda a temática dos recursos hídricos, no que diz respeito à protecção da qualidade e do abastecimento dos mesmos, por isso, reputamos de pertinente, no nosso trabalho, referir alguns tópicos que foram alvo de análise e reflexão nesta conferência.

Sob o capítulo 18 da agenda 21, foi abordada a temática do abastecimento de água potável e o saneamento, matéria inscrita e desenvolvida sob a alínea D) deste capítulo.

Assim, para melhor compreensão do estudo a que nos propomos, permitam-nos que retomemos o pensamento já amplamente focado neste trabalho, mas, agora, em sede nova, ou seja, na vertente da essencialidade da água potável para a saúde pública. Esta ideia foi evidenciada no Plano de Acção do Mar del Plata, o qual nuclearmente refere o seguinte: “todos os povos, quaisquer que sejam seu estágio de desenvolvimento e suas

condições sociais e económicas, têm direito ao acesso à água potável em quantidade e qualidade à altura de suas necessidades básicas”. Ainda que este propósito, acima referido, seja um direito, nem sempre esta meta é alcançada. Para ultrapassar este impasse, a Agenda 21 propõe alguns objectivos os quais, no fundo, se resumem ao que a Declaração de Nova Delhi formalizou, a saber, “algum para todos em vez de mais para alguns”. É óbvio que isto quer dizer que o acesso à água potável deve ser distribuído em quantidade suficiente e saneamento adequado para todos, de uma forma sustentável (Agenda 21, 1992).

Este instrumento prevê, de forma causal ou justificada que, em 2025, toda a população deverá ter uma cobertura completa de abastecimento de água. No entanto, estima-se que os custos de investimento para a concretização dessa meta, ascenderão ao dobro dos actuais. Como tal, torna-se imperioso, desenvolver serviços de baixo custo, adequados ao plano da comunidade para satisfazer as necessidades de hoje e do amanhã (Agenda 21, 1992).

Neste sentido, a já referenciada Agenda 21, propõe algumas actividades que merecem a nossa atenção. Nunca é demais referir, perdoe-se-nos a franqueza de o dizer, que estes objectivos e metas a atingir, que constituem o seio desta problemática, estão ao alcance de todos os Estados, tendo em conta a sua capacidade e recursos disponíveis, nunca desprezando a via de uma cooperação bilateral ou multilateral. Tudo isto se pode concretizar através da implementação de várias actividades a levar a cabo, seguindo, em primeiro lugar, as preocupações com o meio ambiente e saúde, em segundo lugar, com a acção das pessoas e instituições, e, por fim, com a gestão nacional e comunitária. Quanto a esta última prática a implantar e desenvolver, será dada especial atenção à meta inscrita na Agenda 21, a qual se passa a descrever: “Reabilitar os sistemas defeituosos, reduzir o desperdício e reutilizar com segurança a água e os resíduos líquidos”. Continuando com a enumeração das actividades, não podemos esquecer o seguinte tópico, a criação de consciência e informação/participação pública (Agenda 21, 1992).

2.1.3.

A Directiva Quadro da Água:

A Directiva 2000/60/CE, de 23 de Outubro, denominada Directiva Quadro da Água, (DQA, terminologia adoptada doravante), entrou em vigor em Dezembro de 2000, a qual se enquadra no desenvolvimento de políticas comunitárias de ambiente. Segundo Vieira, 2003, “O enquadramento teórico da DQA aponta claramente para uma visão moderna de gestão da procura e de gestão integrada do território.”. Esta directiva consiste, fundamentalmente, num sistema legal, transparente e eficaz, para coordenar as acções dos Estados-Membros que apontam para a melhoria dos recursos hídricos. Este sistema define-se em três vectores: a promoção do uso sustentável das águas pelas gerações actuais e futuras; a prevenção da degradação das águas e a protecção dos ecossistemas aquáticos e terrestres; e, por fim, a contribuição para a mitigação dos efeitos de cheias e secas, no que respeita os efeitos sobre a qualidade da água (DQA, 2000).

Os objectivos gerais da DQA visam a seguinte linha de orientação: a protecção, a preservação e a melhoria do ambiente aquáticos, designadamente a prevenção e diminuição da poluição na fonte dos danos causados ao ambiente, bem como o princípio do “poluidor-pagador”. Pretende-se, também, colaborar para o cumprimento dos vários acordos internacionais no que diz respeito à protecção do meio marinho (DQA, 2000).

2.1.4.

O Plano Nacional para o Uso Eficiente da Água (PNUEA)

O PNUEA, 2001, é uma importante ferramenta de trabalho, com o devido enfoco na essência da abordagem a que nos propomos, já que conforme e detalhadamente exposto, tem-se verificado uma necessidade crescente de procura de água, em consequência do desenvolvimento, a todos os níveis, da sociedade moderna.

A procura e a necessidade de água não se acentuam só no sector agrícola, mas também no abastecimento urbano e sector industrial. Ainda que, se admita que a agricultura seja o sector com mais necessidade de procura de água, o sector mais dispendioso é seguramente o abastecimento urbano. Do ponto de vista de oportunidades de poupança de água, o sector agrícola é aquele que apresenta maior percentagem de perdas, visto ser o maior utilizador de água. No entanto, em termos de custos de ineficiências, é no sector urbano que as mesmas assumem maior gravidade, uma vez que tais perdas, são perdas de águas tratadas, com os custos inerentes e consequentemente, não hesitamos em qualificar tais perdas como mais gravosas em termos económicos (Almeida et al, 2006).

A necessidade de elevar a eficiência no uso da água, é uma das linhas de orientação deste trabalho, como tal, deverão ser ponderadas as opções estratégicas e estruturantes da política portuguesa de gestão de recursos hídricos, onde o PNUEA procura ser um instrumento de orientação e consideração.

O PNUEA, 2001, enumera algumas razões para a existência desta opção estratégica. Desde logo, procuraremos evidenciar a necessidade de se proceder a uma optimização das infra-estruturas existentes. Este instrumento, atribui uma especial atenção à ideia de que as perdas directas, resultantes dos sistemas públicos de distribuição de água, podem ser, em parte, recuperadas através da redução das mesmas. Por outro lado, as perdas de água derivadas dos sistemas públicos de distribuição atingem valores, a nível de custos, preocupantes.

Desta forma, este documento propõe um conjunto de medidas relativamente ao uso urbano, de entre elas destacam-se, dado o interesse deste trabalho, a redução de pressões e de perdas nos sistemas públicos de abastecimento de água.

Tendo em consideração, a primeira, o controlo de pressões nestes sistemas é de extrema importância, pois esta constitui um dos factores pelos quais os consumos de água e as roturas nos sistemas aumentam. Por isso, é importante manter as pressões em valores razoáveis e regulamentares. Em relação à medida que, visa a redução de perdas de água, propõe a introdução de programas de eliminação, localização e detecção de perdas que advêm de fugas e roturas nos sistemas. Será pertinente frisar a importância

desta medida, a nível económico, para entidades gestoras, bem como para o uso eficiente da água (Almeida et al, 2006).

2.2.

A Gestão da Água em Portugal

Ao longo dos últimos anos, várias têm sido as mudanças na gestão da água em Portugal. Estas mudanças, traduzem-se, em primeiro lugar, através de políticas externas, União Europeia (UE) e internacionais e, por outro, através de alterações dos padrões e níveis de vida da população. Neste contexto, a aplicação da DQA trouxe dois grandes desafios para a gestão da água em Portugal, a saber: a harmonização dos novos paradigmas de gestão de água consagrados pela Directiva do quadro legal e institucional português e a operacionalização dos Planos de Bacia Hidrográfica (PBH) e do Plano Nacional da Água (PNA) (Vieira, 2003).

A operacionalização dos PBH é um assunto de relevância extrema, no nosso país. Como é do conhecimento geral, Portugal tem uma forte dependência dos caudais fluviais afluentes de Espanha, a maioria do território nacional está coberto por bacias hidrográficas de rios luso-espanhóis (Minho, Lima, Douro, Tejo e Guadiana). Por ser do interesse nacional e porque constitui um dos objectivos da DQA, é necessário canalizarmos todos os esforços para a realização de planos de gestão únicos para cada bacia hidrográfica, nomeadamente as luso-espanholas (Vieira, 2003).

Face às gigantescas exigências da DQA, a reforma do modelo institucional de gestão e administração da água mostra-se, no imediato, imperioso. A progressão das obrigações desta Directiva ocorre a uma maior velocidade do que as reformas das estruturas administrativas. Em suma, dever-se-á, proceder à definição das estruturas hierárquicas de autoridades competentes, bem como definir o âmbito geográfico das mesmas.

Aprovados os principais PBH e o PNA, instrumentos de base de uma política de gestão da água em Portugal, sendo que estes últimos estão em consonância com os objectivos ambientais da DQA. Nestes documentos focam-se alguns aspectos essenciais, a saber, o diagnóstico da situação actual dos recursos hídricos em Portugal e a previsão de possíveis cenários de evolução socio-económico relacionados com a água, num horizonte de planeamento de 20 anos. A maioria do investimento previsto no PNA foi concretizado para cumprir os objectivos de outro plano estratégico subjacente a este último, a saber, o Plano Estratégico de Abastecimento de Água e Saneamento de Águas Residuais, (PEAASAR 2000 – 2006). È conveniente ainda salientar que o plano supra citado, PEAASAR, constitui uma das prioridades do ciclo urbano da água, o qual foi promovido pelo Ministério do Ambiente e Ordenamento do Território (MAOT). O instrumento, acima referido, no essencial, vem dar seguimento às directrizes implementadas pelo PNUEA, já descritas neste trabalho.

O PEAASAR 2000 – 2006 tinha como objectivos fundamentais abranger, a nível de atendimento, cerca de 95% da distribuição de água e 90% do saneamento, em termos de população servida, tendo como alinhado vectorial, o seguinte (PEAASAR, 2006):

• Requalificação Ambiental; • Soluções Integradas; • Alta Qualidade de Serviço; • Garantia de Sustentabilidade.

Actualmente, já está a ser implementado outro plano estratégico relacionado com PEAASAR no sentido de dar continuação ao mesmo, PEAASAR, 2007 – 2013 (PEAASAR, 2006).

Concluindo, estes objectivos subjacentes a todos estes planos, caracterizam-se como ambiciosos e exigem esforço e unificação do quadro legal e institucional. Na verdade, alguns desses objectivos têm sido alcançados, sendo que vários esforços foram desenvolvidos para a sua concretização, prevendo-se, ainda, um importante salto qualitativo na gestão da água em Portugal.

2.3.

Sistemas de Abastecimento de Água

Entende-se por sistema de abastecimento de água, o conjunto de equipamentos, obras e serviços voltados para a satisfação das necessidades das comunidades, para fins de consumo doméstico industrial e público. Estes sistemas são compostos, de uma maneira geral, pelas unidades de captação, tratamento, estação elevatória, adução, reservatórios, rede de distribuição e ligações prediais (Gomes, 2004).

Sob a figura 2 surgem ilustrados os vários componentes constituintes dos sistemas de abastecimento de água.

Figura 2 – Principais elementos dos sistemas de abastecimento de água, com identificação dos componentes do balanço hídrico e localização dos pontos de medição de caudal (Coelho et al, 2006).

Verifica-se que o sistema de abastecimento de água, é um sistema complexo, o qual envolve várias etapas, de tal forma que, para se obter uma gestão eficiente dos

mesmos, é necessário possuir um conhecimento profundo do mesmo, bem como os seus problemas inerentes.

Vários são os factores que influenciam e determinam a gestão deste sistema, sendo que, uma gestão eficiente e sustentável do mesmo, envolve, necessariamente, um uso racional dos recursos naturais, minimizando os desperdícios, utilizando, ainda, de forma eficaz, os recursos existentes, os quais visam a optimização da rede (Araújo et al, 2006).

A eficiência do uso destes recursos, depende, entre muitos factores, do modo como a rede foi projectada e gerida para a minimização dos desperdícios. Não é despiciendo referir que, a redução destes desperdícios passa também pela adequabilidade das infra-estruturas existentes (Coelho et al, 2006).

Assim, dir-se-á que, ao longo dos últimos anos, a indústria da água tem sido alvo de várias alterações ao nível do desenvolvimento, sendo que hoje em dia todas as iniciativas, apontam, como não poderia deixar de ser, para um desenvolvimento sustentável. Neste sentido e segundo (Faria e Alegre, 1996), o abastecimento de água passou por três fases: a fase da quantidade, da qualidade e da excelência. É importante referir que actualmente estamos inseridos na fase da excelência onde importa a quantidade e qualidade tendo sempre por base os princípios de desenvolvimento sustentável em termos sociais, económicos e ambientais.

De entre muitos problemas intrínsecos aos sistemas de abastecimento de água, destaca-se, porque é nuclear neste trabalho, as perdas e fugas associadas a estes sistemas, os quais nos propomos tratar no tópico seguinte.

2.3.1.

Perdas nos sistemas públicos de abastecimento

Quando falamos em perdas, englobamos necessariamente as perdas físicas, que representam a parte não consumida, e as perdas não físicas, que correspondem à água consumida e não registada.

Relativamente às perdas físicas, estas podem ser encontradas em várias parcelas de abastecimento de água, isto é, na captação, na adução de água bruta, no tratamento, na armazenagem, na adução de água tratada e na distribuição. Resumidamente, são aquelas que ocorrem entre a captação de água bruta e o contador do consumidor (estrutura de medição).

Quanto às perdas não físicas, estas correspondem ao volume de água consumido, mas não contabilizado pela entidade gestora do abastecimento de água, decorrentes de ligações clandestinas, erros nos sistemas de medição e de falhas no cadastro da rede. Deduz-se, então, que esta água é, de facto, consumida mas não é facturada.

No sector do abastecimento, constata-se que a redução de perdas físicas é directamente proporcional aos custos de produção, através da redução do consumo de energia eléctrica, conduzindo, também, por esta via, a uma optimização das instalações existentes. A redução das perdas não físicas, traduz-se não só num aumento das receitas/lucros, como também na eficiência do serviço prestado. È conveniente ter sempre presente que a estimativa das perdas num abastecimento de água, é detectável através da comparação entre o volume de água transferido de um ponto do sistema e o volume de água recebido num ou mais pontos do sistema, situados na área de influência do ponto de transferência (Moura, 2006).

As fugas e perdas podem ocorrer em todas as unidades do sistema de abastecimento de água, no entanto, neste trabalho será dada especial atenção às perdas e fugas nos sistemas de distribuição, pois é onde ocorrem os maiores e mais consideráveis índices (Morais e Sicsú, 2002).

2.3.2.

Fugas e perdas nos sistemas de distribuição de água

Entende-se por sistemas de distribuição de água, que neste trabalho se designa também por rede de distribuição de água, a unidade parcelar do sistema de abastecimento de água, constituída pelo conjunto de condutas e pelos elementos especiais que asseguram o transporte e a distribuição da água, desde o(s) reservatório(s) de distribuição até aos utilizadores, em quantidade e pressão adequadas (Sá Marques e Sousa, 2006).

Posto isto, e numa primeira análise, diremos que vários são os factores que estão na origem das fugas e perdas que ocorrem no sistema em questão, a saber, juntas deficientes, roturas de condutas, extravasamento de reservatório ou qualquer outra anomalia. Para além disto, há também que considerar, as ligações clandestinas, como já foi referido neste trabalho, bem como o estado degradado dos prédios antigos que representam, de igual modo, uma importante fonte de fugas e perdas.

Sob a figura 3, procuraremos ilustrar, de um modo geral, os locais onde os vazamentos ocorrem nos sistemas de distribuição.

Tecnicamente, a total estanquidade deste sistema é praticamente inalcançável, por mais perfeita que seja a sua construção. Neste sentido, refira-se ainda que por muito pequena que seja uma fuga contínua, a mesma, pela sua continuidade, origina caudais consideráveis. Estes últimos tendem a aumentar nas horas de baixo consumo, pois neste período do dia a pressão é mais elevada (Alegre et al, 2005).

A deterioração dos sistemas mais antigos coloca em causa a segurança estrutural das condutas, dando lugar a roturas frequentes. Para tal, visando minorar tais efeitos, é necessário efectuar campanhas de manutenção preventivas de modo a minimizar os desperdícios. Sá Marques e Sousa, 2006, reiteram que “em alguns sistemas mais velhos, a parcela de água não facturada chega a atingir 50% da totalidade da água não distribuída, o que é insustentável.”. Neste sentido, facilmente se evidencia, o que a redução destas perdas para índices muito inferiores, representa para o desenvolvimento socio-económico e ambiental.

Podemos, então, concluir, com devida segurança, que a resolução deste problema é do interesse de todos os agentes envolvidos neste processo, ou seja, de toda a comunidade social. Ora, face ao referido, reputa-se fundamental, proceder à implementação de um programa capaz, assente na inovação, para minimizar este problema. Terão assim, e sempre de forma programática, introduzir novas tecnologias e estratégias de planeamento de controlo operacional (Marunga et al, 2006).

Da aplicação destas medidas visando obter a redução de perdas e fugas de água nos sistemas de distribuição, resultam as seguintes vantagens: facilidade de manutenção, aumento de informação disponível, melhoria das condições ambientais e aumento do lucro. Como tal, os modelos de simulação hidráulica, constituem uma ferramenta importantíssima para a gestão e monitorização dos sistemas públicos de distribuição de água.

2.4.

Modelos de Simulação

Modelos de simulação são modelos matemáticos, cujas técnicas permitem representar alternativas, propostas e simular condições reais, que poderiam ocorrer dentro de uma faixa de incertezas, inerentes ao conhecimento técnico científico (Moura, 2006).

A nível mundial, estes modelos simuladores, inserem-se dentro dos instrumentos comput acionais mais consagrados, na elaboração, aprovação, execução do projecto e na avaliação do desempenho dos sistemas de distribuição de água. Desta forma, estes modelos, constituem um complemento deveras importante para a experiência dos técnicos envolvidos. Estes últimos permitem um acesso a informação de grande relevância para execução de determinadas funções, como a manutenção diária, controlo de perdas, a reabilitação de sistemas, avaliação do impacto de novos licenciamentos, escolha de pontos de amostra, bem como, a qualidade da água, entre outros. Em suma, trata-se de programas computacionais que permitem uma fácil inserção de dados de forma interactiva. A nível de resultados, estes mesmos, produzem-nos na forma tabular e/ou gráfica, o que permite uma leitura fácil, flexível e com bastante poder de síntese (Coelho et al, 2006).

Quanto à classificação destes modelos, muitos autores, classificam-nos de variadíssimas formas, uns em função da variável tempo e da sua função, outros, segundo três grandes famílias, ou seja, modelos de simulação estática, de simulação dinâmica e de dimensionamento (Baixinho, 2002). Neste trabalho, os modelos de simulação são classificados da seguinte forma:

• Modelos de simulação hidráulica; • Modelos de simulação de qualidade.

No primeiro, as características físicas e hidráulicas das componentes do sistema, devem ser representadas com o auxílio de um conjunto de equações matemáticas que

ilustram as relações hidráulicas e a geometria existente entre os vários elementos do sistema (Baixinho, 2002).

Nos modelos de simulação de qualidade, simula-se o movimento de uma substância num determinado percurso do sistema, assim como as alterações cinéticas sofridas na sua concentração, sejam elas devidas à reacção com outras substâncias presentes na água ou com o material em contacto (Baixinho, 2002).

Será pertinente referir que estes modelos de simulação, podem ainda ser subdivididos em dois tipos, a saber, modelos de simulação dinâmicos e modelos de simulação estáticos. O primeiro, definido pela variável tempo, isto é, a simulação é feita ao longo do tempo, representada através de uma sequência de fotografias como um filme de acontecimentos, ou seja, é mais realista. Enquanto no segundo, a simulação é feita sem a variável tempo, representada por uma fotografia.

2.4.1.

Características de alguns modelos

Na actualidade, temos ao nosso dispôr vários programas informáticos, softwares de simulação que permitem prever e determinar uma amálgama de dados relativas à quantidade e qualidade da água. Esta matéria, está em constante desenvolvimento e quase todos os programas têm como principal objectivo aliar um modelo hidráulico a um modelo de qualidade, permitindo uma fácil entrada e saída de dados, e, consequentemente a respectiva apresentação.

Hoje em dia existem uma variada gama de modelos de simulação ao nosso dispôr. A seguir, vamos passar a descrever três dos vários modelos existentes, a saber, o Watercad, H2Onet e SynerGEE.

O Watercad é um sistema completo e extremamente eficaz de modelação, planeamento e de simulação da distribuição das redes de água. É de fácil manuseamento (a escolha da plataforma de uso fica ao critério do usuário, podendo ser o MicroStation ou o AutoCad, permitindo que se usufrua de operações com gráficos 3D), possibilitando

uma entrada fácil dos dados, relacionando-os com os já arquivados, permitindo simular cenários de emergência e encontrar as melhores estratégias operacionais para superá-los. Por outro lado, organiza a concepção e a topologia das redes. Desenvolve estratégias de poupança de energia, debruçando-se, igualmente sobre a análise hidráulica e qualidade da água (Watercad, 2009).

O WaterCad divide-se em duas ‘plataformas’ interceptáveis: o Windows stand-alone que inclui programas a nível de cartografia e simbologia de redes avançados, tal como a possibilidade de conversão em CAD, GIS e base de dados e o MicroStation, incluindo em si funcionalidades geoespaciais (Watercad, 2009).

Há ainda a referir os módulos do WaterCad especializados em calibração, design, simplificação e segurança: Darwin Calibrator, Darwin Designer, Skelebrator e SCADAConnect (Watercad, 2009).

O H2ONet é um poderoso programa de simulação e de optimização da distribuição de água. Permite obter a melhor combinação quanto à melhoria da concepção e execução do sistema hidráulico a um custo mínimo. É possível conceber e avaliar um design económico e eficaz que, possibilita uma modernização das alternativas de distribuição de água existentes, modificando os sistemas de conduta da mesma. É um instrumento de planeamento e apoio à decisão. Determina rapidamente a melhor forma de substituir, fortalecer e expandir o abastecimento de água, apresentando opções num período de tempo reduzido, graças à simulação feita em ambiente gráfico (EPS). As potencialidades do mesmo estendem-se desde o H2ONet Analyzer, passando pelo H2ONet Designer, H2ONet Calibrator, H2ONet Tracer, H2ONet Skeletonizer, H2ONet Adviser até ao H2ONet Scheduler (Schmid, 2002).

O SynerGEE é um software de simulação utilizado para modelar e analisar sistemas de distribuição de água. Tem aplicações em mais de 600 empresas de engenharia distribuídas pelo mundo, permitindo a realização de análises hidráulicas e de qualidade da água, conjugando em si múltiplos componentes. Uma das vantagens mais significativas é o facto de este produto ser altamente flexível, ou seja, é possível optar por uma análise hidráulica a uma única zona, alargando-a posteriormente a uma propagação da pressão da água até vastas regiões. Para além disso, o Synergee engloba

em si mesmo, mecanismos de controlo para bombas, válvulas reguladoras e operacionais (Synergee, 2009).

Este tipo de ‘network modeling’ teve uma aplicação prática deveras eficaz na região de Dublin, reduzindo a fuga de água de 48% para 28%, obtendo-se, ainda, uma melhoria quanto à gestão dos sistemas de abastecimento de água. Também em San Diego foi usada com sucesso, provocando em todos os clientes e demais utilizadores da água proveniente das redes públicas de distribuição, uma grande satisfação (Synergee, 2009).

Mais adiante, neste trabalho, descrever-se-á em pormenor o programa EPANET o qual foi utilizado para a realização deste trabalho.

Resumindo, os modelos simuladores têm como objectivo principal, prever, representar um dado real, um acontecimento dos sistemas de distribuição de água. No entanto, tal objectivo só é possível perante uma calibração do modelo de simulação, pois a calibração tem como objectivo fundamental a aproximação do modelo à situação real. A proximidade entre ambos é tanto maior, quanto maior for a compatibilidade entre o modelo e a situação real.

2.4.2.

Calibração dos Modelos

Segundo (Alegre, 1999), calibrar um modelo é, conforme se extrai do próprio conceito, introduzir no modelo, em si mesmo, as correcções indispensáveis e suficientes, procurando que o mesmo reproduza, com grande rigor, a situação real. Neste sentido, a calibração de um modelo hidráulico, caracteriza-se como um processo complexo e iterativo, o qual visa o ajustamento de certos dados de entrada (parâmetros), correntemente designados como os coeficientes de resistência das fórmulas de perdas de carga para cada tubagem e os consumos atribuídos a cada nó. Assim sendo, este processo tem como finalidade, obter uma concordância entre os valores calculados pelo

modelo e os correspondentes valores medidos no protótipo, isto é, no sistema de distribuição de água real.

Ao longo dos últimos anos, tem-se constatado que um dos obstáculos do processo de calibragem, prende-se com o ajuste final dos valores das rugosidades absolutas dos tubos. No campo da pesquisa, foram desenvolvidas várias tabelas que nos permitem prever, qual a rugosidade do tubo, em função das características do material, a saber, o diâmetro e a idade. Posto isto, estas tabelas podem-nos ser úteis para tubos novos, no entanto a sua aplicabilidade para tubos velhos diminui significativamente com a idade destes, devido à incrustação causada pelas propriedades químicas da água. Por fim, para fazer face a este problema, será conveniente efectuar uma separação da rede de distribuição de água, em zonas que tenham as mesmas características do material, bem como a idade dos tubos.

Como tal, é da nossa conveniência referir que o programa EPANET permite uma análise comparativa entre os resultados deste modelo simulador e os dados de medição “in loco”.

2.5.

Sistemas de Informação Geográfica (SIG)

O geoprocessamento, disciplina que usa técnicas matemáticas e computacionais no sentido de produzir informação geográfica, tem vindo a influenciar de forma considerável várias actividades na sociedade contemporânea.

Os Sistemas de Informação Geográfica (SIG) permitem realizar análises complexas visto que integram dados de várias fontes e criam bancos de dados geograficamente referenciados. Para além disto, viabilizam a automatização da

sistemas que realizam o tratamento computacional de dados geográficos e recuperam informações não apenas com base nas suas características alfanuméricas, mas também através da sua localização espacial. Para concretizar tal tarefa, é fundamental que a geometria e os atributos dos dados num SIG estejam georeferenciados, ou seja, localizados na superfície terrestre e representados numa projecção cartográfica (Câmara e Davis, 2009).

A utilidade do SIG é bastante diversificada, isto é, pode ser aplicado na agricultura, na vegetação, no ambiente, na cartografia e redes de distribuição de água, energia e comunicações. Sendo assim, existem pelo menos três maneiras de utilizar um SIG, a saber :

• Como instrumento para produção de mapas; • Como suporte para análise espacial de fenómenos;

• Como um banco de dados geográficos com funções de armazenamento e recuperação de informação espacial.

Após ter referido o carácter pluridisciplinar do SIG, o que aponta também para uma perspectiva interdisciplinar da sua utilização passamos, de seguida, a enunciar as principais características dos SIG’s. Em primeiro lugar, há que ter em consideração que as informações espaciais provenientes de dados cartográficos, dados censitários, cadastro urbano e rural, imagens de satélite redes e modelos numéricos de terreno que são inseridos e integrados numa única base de dados. Por outro lado, dá-nos a possibilidade de consultar, recuperar, visualizar e exibir o conteúdo da base de dados georeferenciados, assim como oferecer mecanismos para combinar as várias informações, através de algoritmos de manipulação e análise. Refira-se ainda que os SIG’s oferecem as ferramentas estatísticas e dispõem de funções de análise estatística de dados com distribuição espacial.

De um modo geral, apresenta-se na figura 4 as relações existentes entre as várias componentes de um SIG.

Figura 4 – Estrutura Geral de Sistemas de Informação Geográfico (Câmara e Queiroz, 2009)

No que se refere ao planeamento e à tomada de decisão, os SIG’s têm-se revelado como um instrumento versátil, pois confere mais compreensão, conhecimento, fiabilidade e detalhe acerca do estudo que se pretende (Miles, 1999).

A crescente utilização dos SIG’s é cada vez mais evidente, em todo o mundo, dado que nos fornece uma melhor gestão de informações e em consequência disso, temos também uma melhoria nos processos de tomada de decisões em áreas de grande complexidade tais como: planeamento municipal, protecção ambiental, redes de utilidade pública, entre outros. Como em qualquer actividade e sobretudo no nosso trabalho, no sector de distribuição de água, os SIG’s revelam-se como um dissipar de dúvidas e um instrumento para detectar erros, permitindo uma resposta mais eficaz às necessidades das entidades gestoras (Canais e Gil, 2009).

Contudo, tal como refere Baixinho, 2002, uma desvantagem apontada ao SIG é a não representação explícita da variável tempo que, como todos nós sabemos, tem grande importância em muitos problemas de engenharia.

2.6.

Casos práticos de modelos de simulações utilizando o

software EPANET

Neste ponto, vamos abordar algumas aplicações práticas do modelo de simulação EPANET: Uma a nível nacional, no sistema regional do Carvoeiro e, outra, no Brasil, na cidade de Santas Maria.

2.6.1.

Sistema Regional do Carvoeiro

Camacho et al, 2003, e a empresa Águas do Vouga aplicaram o modelo EPANET no sistema regional do Carvoeiro, com o objectivo de optimizar o transporte e o tratamento da água captada na zona do Carvoeiro (rio Vouga). Este modelo tem como finalidade servir de base para a definição de estratégias de operação e de exploração.

Em primeiro lugar, foi feita a recolha de informação, imprescindível para a definição do sistema de abastecimento, tendo como finalidade elaborar o respectivo modelo de rede. Considerando os objectos físicos inerentes ao sistema regional do Carvoeiro e tendo em conta a obrigatoriedade da introdução de alguns parâmetros para a simulação, tornou-se necessário definir alguns aspectos que vigoram no quadro 1.

Quadro 1 – Dados necessários para a simulação do sistema do Carvoeiro

Dispositivos

Dados

fixo (captações) carga hidáulica

Reservatórios de nível variável

Diâmetro cota topográfica

níveis actuais, mínimos e máximos de água

modelo de mistura

Bombas curva de funcionamento

Curva de funcionamento da bomba Caudal altura de elevação Condutas Comprimento Diâmetro coeficiente de rugosidade

estado (aberto, fechado ou contendo uma válvula de retenção)

Válvulas

Diâmetro Tipo

parâmetro de controlo

Após ter definido as condições físicas do sistema no EPANET, procedeu-se, num segundo tempo, à definição das condições de operacionalidade do sistema regional do Carvoeiro. Deste modo, procedeu-se à divisão do sistema em dois subsistemas. O primeiro subsistema corresponde à parte gravítica, a partir do reservatório principal do

sistema. O segundo subsistema corresponde a parte elevatória do sistema até ao reservatório principal.

No primeiro subsistema considerou-se um reservatório de nível fixo e ajustaram-se os consumos e caudais. Os consumos introduzidos foram baajustaram-seados nos relatórios anuais do sistema regional do Carvoeiro de 2001 e 2002, estabelecendo o caudal médio diário anual. Tendo em conta que o programa não permite atribuir consumos aos reservatórios, foi necessário introduzir uns nós de ligação aos reservatórios de entrega de água para atribuir os consumos, considerando estes últimos constantes durante o período de simulação. Refira-se que foi essencial retratar a forma como é regulada a entrada e saída de água nos reservatórios. Assim sendo, estabeleceram-se controlos simples que permitiram, tendo por base o nível do reservatório (pressão no nó), a variação do estado das tubagens entre aberto/fechado. Num dos reservatórios e tendo em conta que caudal de entrada considerado é constante, introduziu-se uma válvula reguladora de caudal à entrada deste reservatório. Nos outros reservatórios, como o caudal de entrada é regulado por um flutuador e o programa não o representa, simulou-se uma perda de carga variável através de uma válvula para aproximar o caudal de entrada com o caudal real.

No segundo subsistema foi-lhe incrementado um nó, incluindo a variável tempo, com o consumo médio do reservatório principal, pois o consumo varia de acordo com os períodos de enchimento e vazamento dos reservatórios.

A simulação do funcionamento das bombas destacou-se pela sua complexidade, pois o regime de funcionamento das bombas depende de vários parâmetros, tais como:

• “Níveis do reservatório principal; • Níveis das estações elevatórias;

• Variação dos consumos dos reservatórios durante a simulação;

• Aleatoriedade do modo de operação praticado pelos diferentes operadores.” (Camacho et al, 2003).

Sendo assim, e para simular o modo de funcionamento das bombas, foi necessário introduzir controlos simples e controlos com condições múltiplas.

No que diz respeito à calibração, as principais fontes de erro do modelo aplicado ao sistema regional do Carvoeiro foram:

• “Curvas de bombas; • Perdas de carga a jusante;

• Coeficientes de rugosidade das condutas,

• Configuração e modo de funcionamento das células dos reservatórios; • Caudais saídos dos reservatórios;

• Erros de introdução de dados;

• Adequação das hipóteses simplificativas consideradas.” (Camacho et al, 2003).

Para fazer face a estes erros calibrou-se, numa primeira fase, o modelo tendo em consideração os seguintes processos:

• “Auto-verificação de todos os dados introduzidos;

• Verificação visual “in situ” do modo de funcionamento dos reservatórios e consequente ajuste dos controlos de operação, bem como dos grupos elevatórios;

• Verificação com os encarregados dos dados das condutas: materiais, diâmetros, válvulas;

• Verificação do funcionamento das válvulas.” (Camacho et al, 2003). Num segundo tempo, procedeu-se à calibração do sistema com outro método, isto é, a comparação dos valores dados pelo modelo com os valores conhecidos pelo sistema de telegestão.

No que toca às curvas de funcionamento das bombas na instalação, foram introduzidas correcções no sentido de aproximar as curvas de funcionamento das bombas disponibilizadas pelo fabricante, curva teórica introduzida no modelo com as da instalação.

Posteriormente, fez-se um ajuste dos consumos introduzidos na parte gravítica, ou seja, os consumos inseridos inicialmente, caudal médio anual, não eram os mais adequados para os períodos de verão e inverno. Desta forma, optou-se por introduzir os

caudais médios diários do mês de Janeiro de 2003 para representar os consumos de inverno nos reservatórios.

Efectuando uma comparação entre os níveis dos reservatórios e os caudais de entrada do modelo, concluiu-se que estes últimos são demasiado elevados. Isto deve-se fundamentalmente aos coeficientes de rugosidade teóricos e à não contabilização das perdas de carga localizadas. Em consequência disto, foi necessário introduzir as devidas correcções nos coeficientes de rugosidade das tubagens de entrada nos reservatórios para aproximar os caudais de entrada reais e os do modelo. Camacho et al, (2004), salienta que a não existência de medidores de caudal à entrada dos reservatórios e devido ao facto de alguns deles serem de grande volume e/ ou terem consumos reduzidos tornaram esta operação morosa.

Resumindo, a aplicação deste modelo permitiu a exploração do sistema regional do Carvoeiro e constitui uma ferramenta de apoio a definição ou optimização de estratégias de operação, alteração ou ampliação.

2.6.2.

Sistema de distribuição de água na cidade de Santa Maria, Brasil

Viegas et al, 2002, aplicou o programa EPANET na cidade de Santa Maria tendo como objectivo simular o comportamento hidráulico da rede de distribuição de água, isto é, qualificar e quantificar os sistemas de abastecimento de modo a aumentar a eficiência dos mesmos. A área de estudo analisada engloba o sector de distribuição de água do bairro de Nossa de Senhora de Lourdes e as suas imediações na cidade de Santa Maria.

O abastecimento deste sector é feito por um único ponto. No que diz respeito às características do sistema de distribuição modelado, estas apresentam tubagens em PVC, fibrocimento. Importa referir, que a gestão de pressão na rede de distribuição efectua-se através de uma válvula redutora de pressão com um padrão temporal.

Depois de descrito e introduzido o sistema no modelo EPANET procedeu-se à modelação e calibração do comportamento hidráulico. Esta fase do processo envolveu uma série de trabalhos com o objectivo de reduzir os erros relativamente à informação sobre as características físicas da rede de distribuição. Desta forma, este processo necessitou, de uma revisão cadastral, de uma definição das junções, de características das tubagens, levantamento das ligações, caudais no nó, entre outros. Saliente-se que o modelo de simulação considerou-se calibrado quando o erro detectado, entre os valores observados e modelados, apresentou valores na ordem dos:

• 1,58% para os consumo e as perdas físicas; • 1,23% para as presssões.

Com aplicação do modelo EPANET foi possível diagnosticar as áreas com pressões elevadas e os troços com altas perdas de carga. Desta forma, no primeiro caso, procedeu-se a um zonamento dessa área para introduzir na rede válvulas redutoras de pressão de forma a reduzir estas pressões para valores aceitáveis. No segundo caso, para além de identificar os troços em causa, permitiu dimensionar esses troços, pois estes são os principais responsáveis pela a irregularidade do abastecimento em certos troços.