Previsão de consumo de água

Capitulo 3- Previsão de consumo de água 3.1 Introdução

Uma das coisas mais difíceis de ser feita é a previsão da demanda em um sistema de abastecimento de água potável.

Primeiramente não existe nunca uma previsão perfeita. Mesmo a melhor previsão feitas em países do primeiro mundo, tem erros que vão de 5% a 10% podendo chegar a mais de 30%.

O Uso da Água se refere a quantidade de água necessária para atender aos vários fins a que se destina, sendo portanto um conceito descritivo.

A Demanda da Água é quantidade de água a ser consumida na unidade de tempo com um preço determinado, sendo portanto um conceito analítico.

O uso da água pode ser dividido em duas categorias: uso consultivo e uso não consultivo.

O Uso Consultivo da água é aquele que água tem um fim em si mesma, isto inclui o abastecimento de água, a agricultura, a indústria e mineração.

O Uso Não Consultivo da água é aquele em que a água é um meio para um fim desejado. É o caso das usinas hidrelétricas, do transporte e da recreação.

O que vamos tratar é o Uso Consultivo da água, sendo o seu destino por exemplo o abastecimento público.

O total da água trata é a Água Produzida e o Abastecimento de Água é toda a água necessária para uma cidade.

A Previsão de Demanda de Água é baseada nos usos anteriores da água, no uso atual e no uso futuro. A Previsão da Demanda da Água é uma estimativa do futuro com quatro dimensões: quantidade, qualidade, tempo e espaço. O futuro para a previsão pode se referir a horas, dias, semanas, meses ou anos. Geralmente uma previsão tem de 15 a 25 anos para médio prazo e para longo prazo cerca de 50 anos. A previsão contudo não é um método científico, pois, falando propriamente, o futuro não existe (Encel et al,1976).

Há inúmeras incertezas em uma previsão podendo ocorrer uma grande variedade de erros. Isto inclui as populações e indústrias futuras, novas tecnologias e as novas peças que economizam água.

Os principais dados necessários para uma previsão são: a) População: projeções e tamanho da família;

b) Moradia: quantidade de pessoas por moradia, densidade de moradias, tamanho dos lotes etc.;

c) Empregos: total de empregos por cada setor industrial, dados históricos da taxa de crescimento dos empregos. Projeções dos empregos agregados e desagregados;

d) Outros fatores econômicos: índices de inflações, aumento da renda, projeção do aumento da renda;

e) Clima: temperatura, chuvas, evapotranspiração;

f) Estatísticas de água: preços, estruturas da tarifas, dados históricos mensais por economias e por categorias, perdas d’água, suprimentos particulares;

g) Conservação da água: medidas futuras de conservação da água, medidas de redução do consumo de água, aceitabilidade pelo público etc.

Existem segundo Boland et al (1981) e Tung (1992) três métodos básicos de previsões:

a) Método de um simples coeficiente (quota per capita, volume por ligação, volume mensal / empregado para cada tipo de indústria)

b) Métodos de Múltiplos coeficientes (chuvas, renda, preço da água etc) c) Métodos Probabilísticos (verifica as incertezas nos métodos anteriores)

No Método de um Simples Coeficiente tem somente uma variável explanatória que pode ser aplicada, por exemplo, a quota per capita, o volume de água por ligação de água ou o coeficiente unitário para método desagregado.

Exemplo do coeficiente unitário é a previsão de consumo industrial, baseado em volume de água gasto por operário em determinado tipo de indústria. Este método é bom para uma avaliação preliminar do problema, pois usa poucos dados, mas não é consistente e de modo geral não fornece uma boa previsão.

Este método é bom para previsões a curto prazo, mas são bastantes questionáveis para previsão a longo prazo.

Para o método do simples coeficiente vamos citar dados da AWWA (1991) referente a quota per capita relativa ao número de consumidores:

A previsão de população e consumo de água é mais arte do que ciência. 3,2 Previsão usando densidade

A previsão de consumo é muito difícil, pois temos que considerar a situação de inicio e a de futuro. Uma das maneiras mais práticas e usadas é a densidade em habitantes por hectare. Existem varias tabelas sobre o assunto.

Tabela 3.1- Densidade media conforme o tipo de ocupação do solo Tipo de ocupação de áreas urbanas Densidade

(hab/ha) Áreas periféricas, lotes grandes 25 a 75 Casas isoladas, lotes médios e pequenos 50 a 100 Casa geminada de 1pavimento 75 a 150 Idem 2 pavimentos 100 a 200 Prédio de pequenos apartamentos 150 a 300

Áreas comerciais 50 a 150

Áreas industriais 25 a 75 Densidade global média 50 a 150 Áreas industriais 1 a 2 L/s x ha

Tabela 3.2- Densidade média conforme o tipo de ocupação do solo

Tipo de ocupação de áreas urbanas Densidade (hab/ha)

Bairros residências de luxo com lotes de 800m2 100

Idem 450m2 120

Idem 250m2 150

Bairros mistos residencial e comercial com prédios até 4 pavimentos 300 Bairros residências com até prédios até 12 pavimentos 450 Bairros misto residencial, comercial e de indústrias leves 600 Bairros comerciais com edifícios de escritório 1000

O professor Tucci desenvolveu por análise de regressão linear equação que fornece a área impermeável em função da. densidade (hab/ha).

AI= -3,86 + 0,55 x DH Sendo:

AI= área impermeável em porcentagem DH= densidade habitacional (hab/ha)

Tabela 3.3- Densidade habitacional em função da área impermeável DH AI (hab/ha) (%) 30 12,64 40 18,14 50 23,64 60 29,14 70 34,64 80 40,14 90 45,64 100 51,14 110 56,64 120 62,14 30 67,64 140 73,14 150 78,64 160 84,14 170 89,64

3.3 Cenários de previsão de consumo de água

Os cenários futuros para previsão de população podem variar bastante desde as condições climáticas, nível de renda da população, programas de conservação da água, tarifas de água, ilhas de calor, etc. É normal e aceitável a variação na previsão de população de 10% a 20% sendo a média de 15%.

R. Bruce Billings e C. Vaughan Jones elaboraram para a AWWA o livro sobre Forecasting Urban Water Demand que deve ser consultado pelos especialistas.

O livro de Previsão de Consumo de água de Plínio Tomaz também deverá ser consultado.

Um dos métodos que podem ser usados é o Método de Delfos usado inicialmente pela Força Aérea dos Estados Unidos, onde um grupo de especialistas que não se conhecem fazem as varias estimativas de futuro em varias áreas do conhecimento como engenharia, agricultura, economia e outras. Todas as informações são levada somente a uma pessoa (oráculo) que faz a condensação dos dados. O resultado será o melhor possível que nem os método cientifico mais modernos podem conseguir.

Nota: tive oportunidade de ver uma previsão de população de Guarulhos feita em 1964 e que saiu totalmente da realidade. Vi várias previsões de população e de consumo de água para Guarulhos e todas elas sem exceção deram erros muito grandes, apesar de os processos usados serem muito “modernos”.

3.5 Previsão de população

Qasim, 1994 apresenta sugestão de oito métodos para previsão de população. 1. Método de crescimento aritmético

2. Método de crescimento geométrico

3. Método de taxa declinante de crescimento: onde a população atinge um ponto de saturação prefixado.

4. Método da curva logística: é a curva em forma de S onde atinge a população de saturação.

5. Método gráfico de comparação entre cidades similares: são comparadas cidades similares e se fazem projeções iguais.

6. Método da razão: pensa-se que a cidade segue o crescimento da região. 7. Método da previsão de empregos

8. Método da previsão de cluster de nascimentos: é escolhido um grupo de pessoas nascidas num certo período e daí se fazem as previsões.

Os principais métodos utilizados para as projeções populacionais são (Fair et al, 1968; CETESB, 1978; Barnes et al, 1981; Qasim, 1985; Metcalf & Eddy, 1991):

Vamos apresentar somente os três métodos clássicos para previsão de população:

1. Método aritmético 2. Método geométrica 3. Método Logístico

3.6 Dados de população de Guarulhos

Primeiramente vamos fornecer os dados da população de Guarulhos segundo o IBGE conforme Tabela (3.4).

Tabela 3.4- Dados da população de Guarulhos conforme censo IBGE ANO POPULAÇÃO

TOTAL RURAL URBANA

(Hab) (Hab) (hab)

1.940 13.439 6.779 6.660 1.950 35.523 18.422 17.101 1.960 101.273 23.776 77.497 1.966 182.627 24.528 158.099 1.967 196.186 22.197 173.989 1.968 209.745 19.876 189.869 1.969 223.304 17.550 205.754 1.970 236.811 15.226 221.585 1.971 266.469 24.126 242.343 1.972 296.073 33.026 263.047 1.973 325.677 41.926 283.751 1.974 355.281 50.826 304.455 1.975 384.885 59.726 325.159 1.976 414.489 68.626 345.863 1.977 444.093 77.526 366.567 1.978 473.697 86.426 387.271 1.979 503.301 95.326 407.975 1.980 532.908 104.226 428.682 1.981 565.326 102.145 463.181 1.982 597.744 97.264 500.480 1.983 630.162 90.268 539.894 1.984 662.580 81.062 581.518 1.985 717.723 45.678 672.045 1.986 728.000 48.000 680.000 1.987 761.000 52.000 709.000 1.988 794.000 55.000 739.000 1.989 801.690 55.000 746.690 1.990 806.000 35.000 771.000 1.991 811.486 37.940 773.546 1.992 833.000 5.000 828.000 1.993 863.294 6.000 857.294 1.994 900.000 7.000 893.000 1.995 922.237 6.000 916.237 1.996 972.197 1.997 1.998 1.999 2.000 1.072.717 2.001

2.002 2.003 2.004

2.005 1.251.179 2.006 1.283.253

Na Tabela (3.5) estão os dados com intervalos de 10anos desde 1940 até o ano 2000.

Tabela 3.5-População de 10 em 10 anos

Ano Pop (hab)

1940 13439 1950 35523 1960 101273 1970 236811 1980 532908 1990 806000 2000 1072717 2010 2020 2030 2040 3.7 Método aritmético

Considerando os valores das populações Po e P1 no tempo to e t1 a razão ou taxa de crescimento aritmético neste período conforme prof Eduardo R. Yassuda e Paulo S. Nogami do livro Técnica de Abastecimento de Agua será:

r= (P1-Po)/ (t1-to) A população P será: P= Po + r (t – to)

Tabela 3.6-Razão para o método aritmético Aritmético

Ano Pop (hab) Razão

1940 13439 2208 1950 35523 6575 1960 101273 13554 1970 236811 29610 1980 532908 27309 1990 806000 26672

População de Guarulhos 0 500000 1000000 1500000 1940 1960 1980 2000 2020 ano P opul ação (h ab it an te s)

Figura 3.1- Gráfico da população de Guarulhos de 1940 ao ano 2000

Considerando a méda das três ultimas razões teremos: Media =27864= (29610+27309+26672)/3

P= Po + r (t – to) Considerando to=2000 e Po= 1072717

P= 1072717 + 27864 (t – 2000) Contando-se to a partir do ano 2000

Para t=2010 teremos:

P= 1072717 + 27864 (2010 – 2000)

Tabela 3.7- Previsão de população de Guarulhos usando método aritmético

Ano Pop (hab)

1940 13439 1950 35523 1960 101273 1970 236811 1980 532908 1990 806000 2000 1072717 2010 1351357 2020 1629997 2030 1908637 2040 2187277

3.8 Método geométrico

A previsão de população conforme FHSP, 1967 pelo método geométrico será:

P= Po . q

q= (P1/Po) (t1-to) Dados:

Ano 2000 P1=1.072.717 hab. Ano 1990 Po= 806.000 hab.

q= (P1/Po) (t1-to)

q= (806000 / 1072717) (2000-1990) =1,03 Adotando a razão q= 1,03 obtermos para o ano 2030.

P= Po . q (t-to)

P= 806000 x 1,03 (2030-1990) =2.603.766hab Tabela 3.8- Aplicação do método geométrico para Guarulhos

Geométrico Ano Pop (hab)

1940 13439 1950 35523 1960 101273 1970 236811 1980 532908 1990 806000 2000 1072717 2010 1441642 2020 1937446 2030 2603766 3.9 Método Logístico

O método logístico prevê uma população de saturação denominada K que é considerando um limite superior conforme FHSP. 1967.

P= K / (1 + 2,718

)

Sendo que o valor de K se obtém:

Ps = [2.Po.P1.P2 – P12 . (´Po+P2)] / (Po . P2 - P12) b= {1/ (0,4343 x d)} . log { [Po (K-P1)]/ {P1 . (K-Po)}}

Tabela 3.9- Valores de Po, P1 e P2 Valores ano População

Po 1980 532908 P1 1990 806000 P2 2000 1072717 K = [2.Po.P1.P2 – P12 . (´Po+P2)] / (Po . P2 - P12)

K = [2x532908x806000x1072717 – 8060002 . (´532908+1072717)] / (532908x 1072717 - 8060002)= 1.558.889

Portanto, a população de saturação será de K=1.558.889 habitantes. b= {1/ (0,4343 x d)} . log { [Po (Ks-P1)]/ {P1 . (Ks-Po)}}

b= {1/ (0,4343 x 10)} . log { [532908 806000)]/ {806000 . (1558889-532908)}}= -0,07232125 a = (1/0,4343) . log [(K-Po)/Po] a = (1/0,4343) . log [(1558889-532908)/532908]= 0,65504716

P= Ks / (1 + 2,718

)

P=

/ (1 + 2,718

)

O tempo começa a contar de 1980, pois to=1980. Para o ano 2010 teremos a diferença 2010-1980 que serás de 30 anos ficando assim.

P= 1558889 / (1 + 2,718

)= 1.277,850

Tabela 3.10- Aplicação do método logístico para Guarulhos Logística

Ano Pop (hab) K=1558889

1940 13439 b=0,07232125 1950 35523 a=0,65504716 1960 101273 1970 236811 Po, to 1980 532908 P1, t1 1990 806000 P2, t2 2000 1072717 2010 1277850 2020 1408570 2030 1482139

3.10 Variações de consumo

Conforme FHSP, 1967 as variações de consumo diárias e horárias são assim definidas.

k1= maior consumo diário no ano/ vazão média diária no ano k2= maior vazão horária no dia/ vazão méia horária no dia

É sempre uma dificuldade estimar o valor de k1 e k2 quando fazemos um projeto. Usualmente se toma k1=1,20 (antiga PNB 587 da ABNT)e k2=1,50 (antiga PNB 587 da ABNT) que são usados no Brasil para sistema onde o abastecimento é direto, isto é, as casas possuem reservatórios domiciliares. Salientamos que nos países do primeiro mundo o abastecimento é direto, isto é, as casas e prédios não possuem reservatórios e daí ser necessário introduzir um coeficiente K3 ou admitir o produto K1 x K2 com maior valor de maneira semelhante aos Estados Unidos ou Europa por exemplo.

Conforme Tsutiya, 2004 cita Thomas Walski que recomenda k1 entre 1,2 a 3,0 e k2 entre 3 e 6 para os Estados Unidos.

Em um abastecimento direto como o Parque Cecap em Guarulhos onde não há reservatórios, poder-se-ia admitir K1=1,2 e K=3 sendo o produto k1xk2=3.

Fayer et al, 1966 apresenta a Tabela (3.11) que vale para os Estados Unidos onde o abastecimento é direto. Em abastecimentos semelhantes poderemos usar os valores médios estimados

Tudo se passa como se existisse um coeficiente K3 para quando não houvesse reservatórios e K3=2,0 para K1=1,2 e K2=1,50 sendo que K1 x K2 x K3=3,6

Tabela 3.11- Valores médios de k1 e k2 segundo Fair, et al, 1966. para abastecimento direto

Razão Faixa normal de variação Valores médios

Máximo no dia/ média diária (K1) Varia de 1,2 a 2,0 K1=1,5 Máxima na hora: media da horas (K2) Varia de 2,0 a 3,0 K2=2,5

K1xK2= 1,5x 2,5=3,75

3.11 Perdas de água

As perdas na rede de distribuição também deverão ser levadas em contas. No Brasil é usual perdas de 30% a 45%.

Tsutiya, 2004 cita que a Sabesp tem quota per capitã efetiva varia de 130 a 273 L/dia x hab sendo a media de 221 L/hab x dia,o que significa que não estão inclusas as perdas. Caso fosse incluso 40% de perdas a quota per capita seria de 211+84= 295 L/dia x hab.

Tabela 3.12- Perdas na Europa em 19 de julho de 2007

Paises Perdas (%)

Albânia Até 75%

Alemanha (média nacional) 8,8

Alemanha ocidental 6,8 Alemanha oriental 15,9 Armênia 50 a 55% Bulgária, Sofia 30 a 40% Croácia 30 a60% Dinamarca 4 a 16 Eslovaquia 27 Espanha 24 a 34 Espanha 22 Finlândia 15 França 30 Hungria 30 a 40 Irlanda 34 Itália média 15 Itália, Roma 31 Paris 15 Reino Unido 17

Reino Unido 8,4m3/km e 243 L/propriedade x dia

República Checa 20 a 30

Slovenia 40

Ucrania Em torno de 50

3.12 População flutuante

Conforme o caso deve ser levada em conta, principalmente em cidades de veraneio. 3.13 Método Delfos

É um método estruturado de maneira que vários especialistas respondem um questionário e depois recebem as opiniões do grupo enviadas por um coordenador.

O método não permite que as pessoas se conheçam e discutam o assunto entre elas, para não haver influência e aconteça que as pessoas sigam o líder do grupo, isto é, aquele mais conhecido.

O método Delfos deve-se ao modo que os oráculos de Delfos respondiam na antiga Grécia, pois o oráculo era o intermediário entre os conselhos dos deuses e o homem. O método Delfos foi desenvolvido nos Estados Unidos nos anos de1950 pela Força Aérea.

A base do método é que todos devem ser especialistas e que o grupo seja anônimo e haja um

feedback do resultado.

O mínimo de especialistas deve ser de quatro.

Uma das críticas do método Delfos é que o mesmo pode ser influenciado pelo coordenador do grupo, pois ele é quem faz as perguntas adequadas.

O método Delfos cobre algumas áreas das filosofias para a procura da verdade, principalmente de Locke, Leibniz, Kant, Hegel e Singer.

Informações mais detalhadas sobre o Método Delfos pode ser obtido no trabalho “The Delphi

Method- Techniques and Applications” de Haroldo A. Linstone e Murray Turoff do ano de 2002 com

3.14 Bibliografia e livros consultados

-ABNT–Estudos de concepção de sistemas públicos de abastecimento de água. NBR 12211/92.

- BILLINGS, R. BRUCE et al. Forecasting urban water demand. American Water Works Association, Denver, Colorado, 1996.

-FHSP. Técnica de Abastecimento e tratamento de água. Faculdade de Higiene e Saúde Pública da USP, 1967.

-HELLER, LEO et al. Abastecimento de água para consumo humano. Belo Horizonte, 2006, 859 páginas.

-QASIM, SYED R. Wastewatrer treatment plants- planing, design and operation.1994, ISBN 1-56676-134-4, 726páginas.

-TSUTIYA, MILTON TOMOYUKI. Abastecimento de água. EPUSP, 2004, 643páginas -FAIR,. GORDON M. et al. Water supply and wastewater removal. Edutira John Willey, 1966. ISBN 0-471-25130-5