Edson Sene da Costa
ALTERAÇÃO DO PONTO DE ALIMENTAÇÃO DA REDE
OBJETIVANDO A REDUÇÃO DE PERDAS: ESTUDO DE
CASO
CAMPINAS 2014
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E URBANISMO
Edson Sene da Costa
ALTERAÇÃO DO PONTO DE ALIMENTAÇÃO DA REDE
OBJETIVANDO A REDUÇÃO DE PERDAS: ESTUDO DE
CASO
Orientador: Prof. Dr. Paulo Vatavuk
Dissertação de Mestrado a ser apresentada à Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Unicamp, para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil, na área de Recursos Hídricos, Energéticos e Ambientais.
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO EDSON SENE DA COSTA E ORIENTADO PELO PROF. DR. PAULO VATAVUK. ASSINATURA DO ORIENTADOR
______________________________________
CAMPINAS 2014
RESUMO:
ALTERAÇÃO DO PONTO DE ALIMENTAÇÃO DA REDE OBJETIVANDO A REDUÇÃO DE PERDAS: ESTUDO DE CASO
O problema de perdas de água em redes de abastecimento é um dos principais desafios dos gestores dos sistemas. Neste trabalho pretende-se avaliar um caso prático no qual a alteração do ponto de alimentação da rede de água possibilitou redução de perda de água devido à diminuição das pressões na área estudada. A região central do município de Cotia abastecido pelo setor Cotia-Jardim Atalaia, tinha o ponto de alimentação da rede situado em um local distante de seu ponto crítico alto. Devido ao crescimento populacional, este reservatório ficou com a demanda de água maior que a oferta, e, houve a necessidade de realizar a diminuição de sua área de atuação. Para resolver a questão, a área de estudo foi retirada do setor Cotia-Atalaia e passou a ser abastecida pelo setor Cotia-Centro que suportou o acréscimo de vazão. Com essa mudança, o novo ponto de alimentação da região central coincidiu com o ponto crítico alto e houve uma redução das perdas no período diurno. Durante a investigação do ocorrido, mediante modelagem matemática e medições de vazão e pressão em campo, ficou demonstrado que, em um Distrito de Medição e Controle (DMC), quando se tem um único ponto de alimentação e que seja pelo ponto crítico alto, há uma redução das pressões diurnas e, consequentemente, diminuem as taxas de vazamentos.
Palavras-chave: Redes de abastecimento de água, Perdas de água, Pressão na rede de distribuição de água.
ABSTRACT:
Changing the network feed point with the intent of reducing losses: Case Study
The problem of water loss in distribution systems is one of the main challenges faced by the system managers. The purpose of this work is to evaluate a practical case in which the change of the feed point of the network enabled a reduction of water loss due to the reduction of pressures in the studied area. The central region of the city of Cotia, supplied by the Cotia-Jardim Atalaia sector, had the main supply point located far from the critical (high elevation) point. Due to population growth, this tank had its water demand exceeded, and then the need for the reduction of its operating area appeared. To solve the issue, the study area was removed from Cotia-Jardim Atalaia sector and is now supplied by Cotia-Centro sector that accepted the flow increase. With this change, the new feed point of the central region matched the critical high point and there was a reduction in losses during the day. During the investigation of the incident by mathematical modeling and field flow and pressure measurements, it was shown that, in a District Metered Areas (DMA), when you have a single point of supply that matches the critical high point, there is a reduction in daytime pressures and thus a reduction of leakage rates.
Keywords: Water supply networks, Water losses, Pressure in the water distribution network.
SUMÁRIO 1 - INTRODUÇÃO... 1 1.1 – OBJETIVOS DA PESQUISA... 3 1.1.1 –Objetivo Geral... 4 1.1.2 –Objetivos Específicos... 4 2 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 5 2.1 - SETORIZAÇÃO... 5
2.2 – GESTÃO DAS PERDAS DE ÁGUA... 10
2.2.1 - Fatores que Influenciam as Perdas... 10
2.3 – VAZÃO MÍNIMA NOTURNA (VMN)... 12
2.4 – GESTÃO DA PRESSÃO... 13
2.4.1-FORMAS DE REGULAGEM E OPERAÇÃO DE UMA VRP... 14
2.5 – VAZAMENTO DE ÁGUA... 16
2.6 – VOLUMES DE ÁGUA PERDIDO POR VAZAMENTOS... 23
2.7 – INFLUÊNCIA DA PRESSÃO NOS VAZAMENTOS... 27
2.8 – VOLUMES DE ÁGUA PERDIDOS... 29
2.9 – INDICADORES DE PERDAS... 33
3 – ESTUDO DE CASO... 35
3.1 – HIPÓTESE DA PESQUISA... 35
3.2 – APLICABILIDADE DO CONEITO DE REDUÇÃO DAS PRESSÕES... 35
3.3 – SIMULAÇÃO NUMÉRICA... 37
3.3.1 – Bases Conceituais – Método Gradiente... 38
3.3.2 – Levantamento das Características da Rede... 38
3.3.3 – Rugosidade das Tubulações... ... 41 xi
3.3.4. – Levantamento de dados de consumo... 43
3.3.5 –Exportação dos Dados para o Programa WaterCAD... 43
3.4 - MEDIÇÃO EM CAMPO... ... 47
3.4.1 - Equipamentos de Medição de Vazão... 47
3.4.2 - Equipamentos de Medição Instalados nos Imóveis... 52
4 – ANÁLISES DOS DADOS... 55
4.1 – IDENTIFICAÇÃO DE ÁREAS CRÍTICAS QUANTO AO ABASTECIMENTO... 59
5 - RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 61
5.1 - RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES... 61
6 - CONCLUSÃO E SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS ... 69
6.1 - CONCLUSÕES... 69
6.2 – SUGESTÕES... 69
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 71
Anexo I – Planta de topologia da rede de distribuição do setor Cotia Centro ZA...,,,,,,... 75
Anexo II – Topologia empregada na modelagem do setor Cotia Centro ZA...,,,,,,... 79
Anexo III – Planta cadastral do setor Cotia Centro ZA...,,,,,,,... 111
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Jesus Cristo, o filho de Deus, pela vida com a família e pela oportunidade que me concedeu de aprender com o Professor Dr. Vatavuk, trabalhar e estudar com pessoas dedicadas e competentes na Unicamp e na Sabesp.
LISTA DE FIGURAS
Página
2.1 - Sistema de abastecimento do Manancial ás Residências... 6
2.2 - Planta Esquemática de um Setor de Abastecimento de água ... 8
2.3 - Vazamentos Visíveis e não Visíveis ... 17
2.4 - Sequencia de fotos da escavação ao vazamento ... 19
2.5 - Vazamento não visível ... 20
2.5a - Tubo corroído ... 20
2.5b - Vazamento provocado por corrosão em tubo ... 21
2.6 - Pontos frequentes de Vazamento em redes de distribuição ... 22
2.7 - Pontos frequentes de Vazamentos em ramais ... 22
2.8 - Ciclo de reparos em rede de água ... 25
2.9 - Relação entre frequência de inspeção na rede e o tempo de duração do vazamento não— visível... 26
2.10 - Relação entre pressão e vazão de descarga do vazamento ... 28
2.11 - Componentes do balanço hídrico e pontos de medição de vazão ... 30
2.12 - Componentes do balanço hídrico ... 31
2.13 – Índice de Perdas na Distribuição das Companhias Nacionais 2012... 34
3.1 - Planta da área abastecida e das adutoras ... 36
3.2 - Perfil do terreno e Piezométrica dos dois abastecimento ... 37
3.3 - Criação dos Nós Hidráulicos pelo Signos ... 46
3.4 - Calibre ou Galgador de um tubo de Pitot ... 48
3.5 - Mapeamento com tubo de Pitot ... 49
3.6 - Mediçao de vazão através de Pitot ... 51
3.7 - Medidor de vazão eletromagnético de inserção “Acqua Probe” ... 52
3.8 - “Data Logger” de pressão ... 52
3.9 - Hidrômetro classe metrológica B ... 53
4.1 - Ferramenta “Global Edit” do WaterCad ... 56
4.2 - Comparação pressões Real X Modelo na Rua Guido Fecchio com C=110 ... 57
4.3 - Comparação pressões Real X Modelo na Rua Guido Fecchio calibrado ... 58
4.4 - Ilustração da simulação no cenário de máxima pelo Cotia ... 59
4.5 – Legenda de cores conforme a variação da pressão no modelo... 59
5.1 - Ilustração da simulação no cenário de demanda máxima pelo Cotia-Atalaia ... 61
5.2 - Comparação das pressões no Nó Hidráulico J-26 pelos dois abastecimentos ... 62
5.3 - Comparação das pressões no Nó Hidráulico J-296 pelos dois abastecimentos ... 63
5.4 - Comparação das pressões no Nó Hidráulico J-376 pelos dois abastecimentos ... 63
5.5 - Comparação das pressões no Nó HidráulicoJ-411 pelos dois abastecimentos ... 64
5.6 - Variação horária diurna das vazões para os dois abastecimento 07/08/2014 ... 65
5.7 - Variação horária diurna das vazões para os dois abastecimento 14/08/2014 ... 66
5.8 - Variação horária diurna das vazões para os dois abastecimento 21/08/2014 ... 67
5.9 - Variação horária diurna das vazões para os dois abastecimento Média 3 dias ... 68
LISTA DE TABELAS
Página
2.1 - Valores da vazão (litros) Recuperada a partir da pressão e da área da fissura ... 23
2.2 - Valores da vazão (litros/s) Recuperada a partir do Diâmetro Equivalente do Orifício ... 24
3.1 - Coeficientes de rugosidade para tubos de ferro fundido ... 42
3.2 - Coeficientes de rugosidade para tubos de AÇO, PVC e PEAD ... 42
3.3 – Dados básicos do setor – Setor Cotia Centro ZA... 45
3.4 – Dados operacionais dos setores... ... 47
3.5 – Consumo mensal nos Nós Hidráulicos... 47
3.6 - Exemplos de pontos de posicionamento do tubo Pitot ... 50
3.7 - Tabela de vazões de hidrômetros Classe Metrológica ... 54
1 1 INTRODUÇÃO
A presença de água líquida na superfície do planeta é fundamental para a existência de vida na Terra. Para a humanidade, a importância da água torna-se mais efetiva, já que as pessoas dependem desse recurso para quase todas as atividades cotidianas. E não é preciso fazer muito esforço para elencar as muitas situações em que a água é usada: para beber e preparar alimentos, para higiene do corpo e do ambiente, para transporte de pessoas e de cargas, para produção industrial e resfriamento de máquinas etc.
As cidades da região metropolitana de São Paulo são abastecidas pela Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo – Sabesp –, seja por atendimento direto da população ou como permissionária, quando o fornecimento é feito por atacado, como no caso de Guarulhos e São Caetano do Sul, por exemplo.
O abastecimento de água do município de Cotia, que também faz parte da grande São Paulo, é feito pelo Sistema Produtor Alto Cotia, um manancial composto por duas represas, uma é a Pedro Beicht e a outra é a Represa da Graça, o sistema trata cerca de 900 litros de água por segundo. Além de abastecer o município de Cotia, o sistema também atende parte dos municípios de Embu, Itapecerica da Serra, Embu-Guaçu e Vargem Grande Paulista. Por conta disso, e devido às dimensões limitadas do manancial, ações de combate à perda de água são necessárias.
A região central de Cotia é abastecida por dois reservatórios setoriais de distribuição de água tratada: são os setores Cotia-Centro e Cotia-Jardim Atalaia. O reservatório Cotia-Centro apresenta duas zonas de pressão, a zona baixa (ZB) cuja cota é 850 msnm (metros sobre o nível do mar), e a zona alta (ZA), de cota 890 msnm. O outro reservatório setorial Cotia-Atalaia tem apenas uma zona de pressão, denominada zona única, implantado na cota 932 msnm.
O abastecimento do setor Cotia-Jardim Atalaia é feito por uma adutora de ferro dúctil de 400 mm de diâmetro, com extensão total de aproximadamente 8,0 km, que é bombeada por uma estação pressurizadora de água (booster) situada a 6,0 km a
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jusante da Estação de Tratamento de Água (ETA) Alto Cotia e a 2,0 km a montante do reservatório Cotia-Jardim Atalaia.
O booster e a adutora foram projetados no ano de 1.987. A partir da realidade da época, o projeto foi dimensionado para aduzir 170 litros de água por segundo (L/s). Isso foi feito mediante tomada de água com cota localizada cerca de 30 metros abaixo da carga hidráulica disponível hoje na sucção do booster. Como a pressão na sucção das bombas aumentou em 30 metros de coluna de água (mca), as bombas acabaram tendo uma vazão acima do projetado. Atualmente, o sistema tem seu ponto de trabalho mais à direita da curva e transporta 220 L/s. Ainda que a quantidade de água aduzida seja maior do que o previsto à época, ela não é suficiente para atender a demanda. Um dos fatores que explica esse fato é o crescimento da região onde o reservatório atende.
A solução mais simples para esse problema de abastecimento seria ampliar o booster existente. Essa atitude, porém, geraria um aumento de cerca de 15% na vazão. Esse aumento não significativo ocorre, porque a adutora já estava operando com vazão acima do projetado.
Outra opção seria a duplicação da adutora, que também foi descartada por ter alto custo de implantação, devido a sua extensão (8,0 km) e por ter de ser assentada em arruamento estreito, sinuoso e com grande desnível topográfico, características que inviabilizavam o trabalho.
A alternativa foi buscar uma solução pelas técnicas de setorização tradicionais. Assim, seria escolhida uma zona de pressão existente na região, que abasteceria todas as cotas que estivessem abaixo dela, e a zona de pressão superior (Cotia-Jardim Atalaia) seria utilizada para abastecer apenas as regiões com cotas elevadas.
A partir dessa premissa, percebeu-se que a parte central da cidade (região mais antiga) possuía cotas baixas, e mesmo assim era abastecida pelo setor Cotia-Jardim Atalaia, o único existente na época. Como a pressão era alta, utilizava-se uma válvula redutora de pressão (VRP), denominada VRP Guido Fecchio, já que estava
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instalada na rua de mesmo nome. Está VRP estava instalada em uma cota relativamente baixa (837 msnm), por onde era a entrada de água da região central (área de estudo).
A VRP Guido Fecchio atendia aproximadamente 2.700 residências com cotas altimétricas que variavam entre 830 msnm a 855 msnm. Dessa forma, esse setor poderia ser abastecido pelo setor Cotia-Centro Zona Alta (Ver anexo III).
Optou-se, assim, por adotar a solução de setorização, retirando a parte central da cidade do setor Cotia-Jardim Atalaia e passando a abastecê-la pelo setor Cotia-Centro ZA. Com essa redução da área de atuação do setor Cotia-Jardim Atalaia, foi equacionado o seu problema de oferta e demanda, não ocorrendo mais baixo nível no reservatório e consequentemente não havendo mais reclamação de falta de água por parte dos clientes.
A sub-adutora do setor Cotia-Centro também faz parte do Sistema Alto Cotia, e como tem diâmetro de 600 mm, comportou o pequeno aumento de vazão. A antiga área da VRP Guido Fecchio (via setor Atalaia) passou agora a ser abastecida via Cotia-Centro ZA, com uma nova entrada na cota 850 msnm, ou seja, abastecimento a partir do ponto crítico alto.
Desde que o abastecimento dos mesmos imóveis foi feito pelo novo ponto de alimentação de água, houve uma redução da vazão no período diurno, o que não era esperado. Acredita-se que essa redução de vazão significativa seja uma consequência da alteração no ponto de alimentação, que acabou resultando em uma diminuição na pressão média na rede.
Nesta pesquisa, será investigado o caso descrito para que o ganho obtido seja mais bem entendido e, dessa forma, seja possível programar essa redução da vazão de alimentação em outras localidades da rede.
1.1 OBJETIVOS DA PESQUISA
Este trabalho buscou investigar e compreender o porquê de ocorrer uma redução na vazão de abastecimento no período diurno quando se abastece uma
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mesma região com dois modos diferentes: um com entrada de água pelo ponto crítico alto e outro por um ponto baixo.
Por natureza, esta pesquisa é exploratória e adequada à utilização de método de estudo de caso. Nos estudos, serão comparados os resultados do modelo matemático com as medições realizadas em campo pelos dois modos de abastecimento da região, pela entrada antiga e pela nova.
1.1.1 Objetivo Geral
Analisar a influência da escolha do ponto de alimentação do distrito de medição e controle (DMC) para gerar as menores piezométricas e, consequentemente, redução dos vazamentos de água na rede de abastecimento no período diurno.
1.1.2 Objetivos Específicos
Conhecer melhor as redes primárias do entorno, para que seja proposta como ponto de alimentação do DMC uma entrada que permita maior economia.
Diagnosticar, com o auxílio de software de modelagem matemática, o regime de pressões que atuam nos nós hidráulicos no decorrer do dia.
5 2 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Nesta parte da dissertação, serão abordados assuntos relacionados ao tema, como setorização e etapas do tratamento e distribuição de água, pressão na rede, influência da pressão no vazamento, tipos e duração de um vazamento e soluções para redução de perdas.
2.1 SETORIZAÇÃO
A presença de água líquida na superfície do planeta é fundamental para a existência de vida na Terra. Para a humanidade, a importância da água torna-se mais efetiva, já que as pessoas dependem desse recurso para quase todas as atividades cotidianas. E não é preciso fazer muito esforço para elencar as muitas situações em que a água é usada: para beber e preparar alimentos, para higiene do corpo e do ambiente, para transporte de pessoas e de cargas, para produção industrial e resfriamento de máquinas etc.
Por conta dessa dependência, diferentes medidas para economizar esse recurso natural têm sido tomadas. No âmbito das redes de abastecimento, uma delas refere-se à setorização dos sistemas. Dividir um sistema de abastecimento em setores é a melhor maneira para que os pontos de perda sejam identificados.
Num sistema de abastecimento de água, as etapas são as de captação, adução de água bruta, tratamento, adução de água tratada, reservatórios setoriais e redes de distribuição, conforme figura 2.1. A rede de distribuição também é dividida em partes menores, os chamados setores de abastecimento, que permitem a realização mais eficaz da manutenção do sistema. Segundo WRC (1994), a setorização permite avaliar individualmente cada uma das partes e propor um plano de manutenção preventiva e corretiva eficiente.
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Figura 2.1 – Sistema de abastecimento do manancial às residências
Fonte: SABESP (2003)
A maior parte das perdas de água acontece na última etapa do sistema de abastecimento, ou seja, nas redes de distribuição.
O modelo clássico da distribuição tem sua unidade mínima constituída por uma tubulação adutora chegando a um reservatório setorial que é denominado de Setor de Abastecimento.
Para verificação da ocorrência de perdas de água, a primeira medição ocorre na adutora localizada imediatamente antes do reservatório. A partir dele, a água pode ser aduzida de duas formas: diretamente para uma zona baixa ou média e para uma zona alta. Neste caso, para atingir os reservatórios elevados, é necessária uma estação elevatória. A divisão de um setor de abastecimento em zona alta e zona baixa são denominadas Zona de Pressão.
Nos casos onde os dimensionamentos superados impedirem essa técnica ou quando houver necessidade de atender uma nova área, lança-se mão de bombas elevadoras da pressão (boosters) e da própria elevatória. Eventualmente, podem ser
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construídas novas adutoras para atender ao crescimento da demanda. Também é possível considerar soluções alternativas, como a construção de poços (TSUTIYA, 2004).
Para auxiliar os casos mais graves de desabastecimento de determinado setor, frequentemente abre-se a passagem entre os setores vizinhos, descaracterizando os limites dos setores originais. Nesse contexto, estabelece-se um círculo vicioso que envolve a falta de controle e a confiabilidade dos dados coletados. A ausência de informação confiável impede o planejamento e o projeto correto, e acaba gerando mais deficiência no abastecimento e a depreciação contínua dos sistemas (TSUTIYA, 2004).
A melhoria do sistema de medição, que geram dados mais exatos e confiáveis, e o desenvolvimento de informações orientadoras da operação podem modificar esse quadro. Também é importante considerar que a implantação de sistemas de medições interagindo em sistemas de distribuição deficientes tem custos muito menores que os necessários em ações de caráter corretivo emergencial e protelatórias.
A divisão de um setor de abastecimento em zona baixa e zona alta que são abastecidos respectivamente pelos reservatórios apoiado e elevado (Torre) denominamos de Zona de Pressão, com esta subdivisão tem-se um melhor controle da distribuição.
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Figura 2.2 – Planta esquemática de um setor de abastecimento de água
Fonte: SABESP (2003)
Tradicionalmente aplica-se a expressão “zona de pressão” às áreas atendidas diretamente a partir do reservatório setorial ou às áreas atendidas a partir de reservatório elevado. A primeira corresponde à zona de pressão baixa ou média e a segunda corresponde à zona de pressão alta.
Dessa forma, tudo o que sai do reservatório apoiado é uma zona de pressão, normalmente denominada Zona Baixa, e tudo o que sai da torre é denominado Zona Alta.
Como a norma de redes de distribuição de água da ABNT NBR 12218 “Projeto de Rede de Distribuição de Água para Abastecimento Público” fixa que as pressões devem variar de 100 a 500 Kpa (10 a 50 mca) respectivamente (CARMO, 2013); (TZATCHKOC et al., 2006); (AWAD et al. 2008; 2009), em regiões onde existem grandes variações de cotas topográficas, costuma-se instalar válvulas redutoras de pressões (VRP), para criação de uma subdivisão da zona baixa. Normalmente, essas áreas estão localizadas próximas a rios (cotas baixas).
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Ao medir o volume ou a vazão por zonas de pressão, é possível, por analogia, determinar o consumo aparente nas demais zonas de pressão. Esse cálculo possibilita avaliar as perdas de cada zona e do subsistema de distribuição como um todo. Como quase sempre se tem a medição de vazão do setor de abastecimento, caso se tenha a medição de vazão da zona baixa, por diferença será possível calcular a vazão da zona alta. Obtendo esses valores, podem-se direcionar as ações de combate às perdas na zona prioritária.
A maior parte dos setores das regiões da grande São Paulo foi projetada a partir da norma antiga – NB 594/77 – onde a pressão máxima exigida era de 70 mca. Por conta disso, os projetos deram origem a reservatórios setoriais em cotas mais elevadas. A solução encontrada pelas concessionárias para se adaptarem à nova norma foi a setorização mediante a instalação de VRPs, geralmente em áreas às margens dos rios.
A setorização, porém, envolve diversas dificuldades práticas. A mais comum refere-se à descoberta de que as redes podem estar incrustadas ou que a área cresceu além do previsto; fato que gera perdas de carga, que reduzem as pressões, e, consequentemente falta de água que requerem tratamento como um reforço de rede ou até mesmo serem retiradas da área da VRP (DI NARDO e DI NATALE, 2011).
Em grandes cidades, como Osasco, por exemplo, existem cerca 400 quilômetros de extensão de rede de água nos setores Iracema e Mutinga. Mesmo se considerarmos 200 quilômetros na zona baixa e 200 quilômetros na zona alta, não haverá um equilíbrio em nível de controle da vazão. Visando um melhor controle no abastecimento e na identificação das perdas de água (SABESP, 2003), é necessário dividir esses setores em diversos micro setores, os denominados DMC (distrito de medição e controle), anteriormente chamados distritos pitométricos, ilustrados na figura 2.2 – Planta Esquemática de um Setor de Abastecimento de Água.
O distrito pitométrico nada mais é que a organização da rede em porções delimitadas. Usualmente planeja-se a abrangência da ordem de 20 km de rede por cada porção delimitada, com no máximo duas entradas.
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Para que seja possível inserir na rede aparelhos de medições de vazões, nas redes de entradas são instalados registros de derivações chamados TAP, para medições por meio de medidores inseríveis, ou são previstas disposições construtivas adequadas a medidores não invasivos. Nessas seções são medidas as vazões mínimas noturnas, que estão associadas às perdas físicas daquela área. Com a utilização de
data loggers, que são acumuladores de dados, é possível estender essa campanha
para períodos maiores, e levantar o perfil de consumo e diferenças sazonais, de forma a elaborar estudos de maior profundidade.
2.2. GESTÃO DAS PERDAS DE ÁGUA
A necessidade de se manter as perdas de água em patamares baixos em Cotia está relacionada a três fatores principais: a capacidade limitada do manancial que a abastece (Sistema Alto Cotia) e o alto custo envolvido no processo de tratamento (produtos químicos, mão de obra e etc.) e também durante o bombeamento (energia elétrica) (PUUST et al., 2010).
Neste trabalho, o enfoque será dado nas perdas físicas, em geral são causadas por vazamentos nos ramais prediais e nas redes de distribuição que compõem a malha hidráulica da cidade. Não aprofundaremos a análise das perdas aparentes que seriam, por exemplo, hidrômetros adulterados ou erros no cadastro da companhia de saneamento.
2.2.1. Fatores que influenciam as perdas de água
A ocorrência e a frequência de vazamentos estão relacionadas à pressão de serviço. Se na região também existe intermitência no abastecimento, pode haver influência nas perdas para menos, já que a tubulação fica um tempo sem água. No caso de a frequência ser muito alta, as causas podem dizer respeito ao estado das redes (muito antigas e de materiais obsoletos), às características do solo e à existência de tráfego pesado e intenso (FARLEY, 2001); (WOODWARD et al., 2005); (BOXALL et al., 2007); (THORNTON et al., 2008); (MACHELL et al., 2010).
11 2.2.1.1 Pressão de serviço
A vazão de água por um orifício depende da dimensão deste e varia também em função da pressão que a rede está submetida naquele ponto. Quanto maior for a pressão de serviço e o tempo que o sistema se encontra pressurizado, maior será o volume perdido no vazamento de um mesmo orifício (REIS et al., 1997); (ARAUJO et al., 2006).
Dessa forma, quanto menores forem às pressões na rede, menores serão os vazamentos.
Os efeitos positivos do gerenciamento das pressões permitem diminuir as perdas de água já que se procede a redução de pressões desnecessárias ou excessivas, e também se elimina grandes variações de pressão ou transientes hidráulicos. Estes fatores frequentemente causam rompimento das tubulações de distribuição de água, relacionando-se diretamente com a taxa de vazamentos.
Nesse sentido, é possível afirmar que a gestão das pressões é um método que tem impacto positivo em todos os três componentes de perdas de água reais: vazamentos visíveis, vazamentos não visíveis (detectáveis) e vazamentos inerentes (não detectáveis), conforme ilustra a figura 2.3. Deve-se ressaltar, entretanto, que o gerenciamento das pressões não elimina os vazamentos e, portanto trata-se de uma medida complementar que não deve substituir outros procedimentos que vão atuar diretamente na supressão dos vazamentos.
2.2.1.2. Existência de um Centro de Controle de Operações (CCO)
A partir do exposto, é possível perceber a importância da monitoração da pressão e da vazão em determinados pontos estratégicos da rede, caso dos boosters e das VRP’s, identificando os respectivos pontos críticos baixo, alto ou distante, em tempo real; mantendo-se assim um controle permanente da operação da rede. Também pelo controle da vazão mínima noturna é possível detectar a ocorrência de novos vazamentos, como também após o conserto deste é possível checar se a vazão mínima noturna voltou ao normal, e também será possível ter o histórico das vazões e pressões
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do sistema durante o ano todo com suas sazonalidades (CESARIO, 1991); (MAYS, 2000).
2.3. Vazão Mínima Noturna (VMN)
Outra forma de se identificar os pontos de perda de água é o conhecimento da vazão mínima noturna – VMN. Como, durante a noite, grande parte da população não consome água, a interpretação da VMN permite estabelecer um critério mais rigoroso para estimativa dos vários componentes das perdas e também controlar essas perdas (WRC, 1994); (HAVLIK, 2006).
O procedimento para cálculo da VMN inclui diversos pontos, como a identificação e a eliminação de ligações clandestinas e dos erros de leitura associados à idade dos hidrômetros, a caracterização rigorosa da topologia da rede, a utilização de medidores de vazão adequados ao volume a ser medido e um número significativo de amostras de forma a obter resultados o mais próximo possível da realidade.
Dentre os envolvidos na identificação de vazamentos está o pessoal de varredura, que é uma equipe especializada em detectar vazamentos não visíveis mediante aparelhos de detecção sonora. Eles também auxiliam na descoberta de possíveis fraudadores (ALMANDOZ et al, 2005); (TABESH et al, 2009).
Para efeitos de cálculo, é importante considerar que a percentagem de cada um desses componentes da VMN varia de sistema para sistema. Nesse caso, são considerados o tipo de ocupação (residencial, industrial, comercial e serviços públicos), o nível socioeconômico da região, a dimensão do sistema, o número de consumidores e o estado de conservação das redes. Em zonas predominantemente residenciais, por exemplo, durante o período da VMN compreendido uma e cinco horas da manhã, a variação de consumo não é significativa. Mesmo assim, pode haver alguma variabilidade ao longo do ano e ao longo dos dias da semana, fruto da sazonalidade e, eventualmente, das atividades comerciais, industriais e de serviços públicos que possam existir nessa zona da rede durante o período noturno (WRC, 1994).
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Assim, por analisar as áreas a procura de vazamentos e ir fazendo os reparos até que a vazão não baixe mais, os índices de VMN são excelentes indicadores.
2.4 GESTÃO DA PRESSÃO
A maneira mais eficiente de se realizar a gestão da pressão nas redes de distribuição de água é dividir as zonas de pressão em Distritos de Medição e Controle (DMC). Muitas vezes, logo após a implantação desse sistema ou ainda na modelagem matemática feita na fase de projeto, as pressões na rede serão superiores às previstas em normas, principalmente no período noturno, que é quando as perdas de cargas na rede de distribuição tendem a zero. Nesses momentos, surge a oportunidade de se propor a redução das pressões elevadas dentro da área da DMC, fazendo com que esta última progrida para uma VRP (AWAD et al., 2009).
Outra forma de se fazer gestão da pressão nas redes de distribuição de água é por meio de conversores de frequência nas Zonas Altas. Como essas zonas geralmente são abastecidas mediante bombeamento pelas estações elevatórias junto aos reservatórios setoriais, é possível reduzir a pressão ao máximo possível na madrugada. Através dessa operação é possível manter vários DMC’s com pressões dentro da norma mesmo no período noturno. Nesse período, outros DMC’s estarão em cotas topográficas tão baixas, que, mesmo com a redução nas elevatórias, a pressão continuará ainda fora da norma. Dessa forma, estas DMC’s devem ser protegidas com a instalação de dispositivos de redução da pressão, as VRPs (DI NARDO e DI NATALE, 2011). Apesar das VRP’s poderem ser utilizadas em série com uma elevatória, o ideal seria que, ao invés de se instalar uma VRP na zona alta, fosse estudada a possibilidade de um prolongamento para abastecimento da região via zona baixa. Dessa forma, seria possível evitar a quebra de pressão em uma água que já havia sido bombeada e, assim, efetivamente diminuir perdas de água, ao mesmo tempo reduzir o consumo de energia (PERELMAN e OSTFELD, 2011).
A divisão da malha em DMC’s já proporciona resultados bastante positivos. Quando esse sistema não é instalado em uma rede malhada, um local avariado
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resultaria na perda da água de todo o anel hidráulico, fazendo com que os clientes das partes altas ficassem sem água. E esse ponto alto pode estar distante do vazamento, o que deixaria as equipes das concessionárias confusas, já que elas receberão reclamação de baixa pressão sempre nos mesmos pontos e o vazamento causador do problema pode estar bem longe. Esse tipo de problema não ocorre em uma região que tenha DMC, pois esta restringe a vazão do vazamento porque a área passará a ter uma única entrada (TZATCHKOV et al., 2006).
2.4.1 FORMAS DE REGULAGEM E OPERAÇÃO DE UMA VÁLVULA REDUTORA DE PRESSÃO (VRP)
Uma VRP contribui para a resolução de problemas de pressão alta nas redes de distribuição, entre outros benefícios conforme o tipo de operação de cada VRP, que veremos abaixo e foram estudas por (WRC, 1994); (DTA D1, 1999); SOUSA, 2006); (BAIROS, 2008).
VRP com pressão à saída fixa – recomendada quando a variação do consumo ou da pressão, ao longo do tempo, não for significativa. Apenas então se fixa uma pressão de saída da VRP e esta trabalhará sozinha, fechando um pouco mais quando a pressão de montante aumenta e ao contrário abrindo quando a pressão de montante diminui procurando sempre regular um valor fixo para jusante da VRP; porém este método apesar de ser barato, (porque não será adquirido um modulador de pressão), porém, a rede de distribuição possui além das perdas localizadas também a perda distribuída ao longo da tubulação de distribuição, assim durante a madrugada, quando a perda distribuída tende a zero, o valor da pressão no ponto crítico alto ou distante subirá no valor dela em relação à regulagem feita durante o dia; por exemplo, regulou-se a pressão no ponto critico em 10 mca durante o dia, se o somatório da perda distribuída no trajeto for de 10 mca, então o ponto crítico, neste caso, terá durante a madrugada, uma pressão de 20 mca, o que não corresponde à máxima otimização de um sistema.
VRP com pressão à saída modulada por tempo – aconselha-se quando as variações das pressões forem significativas e regulares. Utilizam-se, sobretudo para controlar a pressão a jusante durante o período noturno, em locais onde geralmente as
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perdas de cargas distribuídas são mais elevadas e consumos reduzidos, no caso do exemplo anterior acima (VRP fixa) se o somatório das perdas distribuídas for de 30 mca, isto elevaria a pressão do ponto critico para 40 mca (caso fosse de saída fixa). Porém em sistemas de distribuições complexos não são muito usadas porque apresentam desvantagens quando da interrupção do abastecimento para o conserto de um arrebentado, por exemplo, ou uma falta de energia, porque este tipo de VRP restringirá a vazão de retomada, visto que os seus horários de regularem foram pré-determinados em estudos, ou se mesmo na prática, foram em regime permanente, ou seja, sem interrupções; dado uma interrupção por motivo qualquer, está VRP atrapalhará a retomada no abastecimento, podendo gerar muitos transtornos aos clientes, que podem até não receberem água durante a noite do primeiro dia após a retomada do abastecimento.
VRP com pressão à saída modulada por vazão – aplica-se sobretudo quando existe, uma grande variação do consumo ou pressão ao longo do tempo, causados pela variação dos consumos horários típico de todas as zonas predominantemente urbanas e residenciais. Neste caso, como a atuação da VRP ocorre em função da solicitação da rede (consumo), deve estar associada sempre a um medidor de vazão. Tem sido a mais utilizada devido à praticidade da sua regulagem e campanha de implantação, que pode durar de uma semana a um mês; porém, apesar da sua facilidade de implantação a sua grande desvantagem, é que em caso de arrebentados ela abrirá alimentando o arrebentado e os clientes também, não gerando assim reclamações de falta de água, o que caso a área não seja controlada remotamente (quando um operador do CCO percebe a variação da vazão), esta alteração na vazão então não será notada até a próxima visita da equipe de manutenção; e hoje cada local tem a sua própria periodicidade de retorno à VRP o que pode em alguns locais ser um tempo bem expressivo.
VRP com pressão à saída modulada por pressão no ponto crítico – como no modelo anterior, também o controle da VRP está relacionado com as solicitações no sistema. No entanto, em vez de considerar a vazão de entrada da zona de medição, este depende da pressão requerida em vários pontos da rede, entre os quais o ponto
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crítico. Por ponto crítico entende-se a zona do sistema onde será mais difícil garantir a pressão mínima de funcionamento durante as horas de maior consumo (hospitais, escolas, indústrias, hidrantes, ponto mais afastado e/ou mais alto da rede, entre outros). Pode existir mais do que um ponto crítico no sistema, no entanto, para um dado instante apenas um é considerado o mais desfavorável. Nestas circunstâncias, a atuação da VRP é sistematicamente ou periodicamente controlada por telemetria, via rádio, ou telefone de rede fixa ou móvel, em função da pressão verificada no ponto crítico, tendo como objetivo ajustar a pressão ao valor de referência pretendido. Este tipo de VRP também não é muito utilizado na prática porque está regulagem remota é muito difícil de controlar no dia a dia, o que leva muitas equipes a abandoná-las. No caso de ser via rádio, este é o mais difícil, porque depende da topografia permitir estes dados via rádio porque são ondas e não pode haver obstáculos no caminho. A telefonia é o método mais utilizado na prática. Porém ela incorrerá no mesmo problema da VRP por vazão, aumentará a vazão quando ocorrerem vazamentos, e caso não seja monitorada à distância, o desperdício de água ocorrerá até a próxima visita.
2.5 Vazamentos de água
As perdas físicas de água que chamamos de “reais” num sistema de abastecimento são originadas em vazamentos que podem ocorrer em todas as unidades operacionais de um sistema como nas estações de tratamento de água, nas unidades de bombeamento, nas adutoras de água bruta e tratada, nos reservatórios setoriais de abastecimento, nas torres das zonas altas, nas tubulações de distribuição quer sejam primárias ou secundárias, nos boosters, nas conexões dos ramais prediais de água, nos ramais, nos cavaletes, não sendo contabilizados apenas os vazamentos após os hidrômetros porque são de responsabilidade dos clientes. O Water Research Centre WRC (1985) caracteriza os vazamentos como a parte da perda que se origina em escoamentos ou vazamentos que ocorrem independentemente de ações previamente estabelecidas, não devendo ser confundida com desperdício, que seria um uso desnecessário da água ainda que seja faturado.
Na prática os vazamentos são compostos de dois grupos: visíveis e não visíveis;
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Os componentes dos vazamentos são apresentados na Figura 2.3:
Figura 2.3 - Vazamentos Visíveis e Não Visíveis
Fonte: SABESP (2000)
Os vazamentos visíveis são os que afloram e os não visíveis os que percolam pelo subsolo percolando até o lençol freático ou para alguma galeria de água pluvial ou mesmo uma rede coletora de esgoto. As perdas físicas não visíveis ainda são divididas em duas partes: as que são detectáveis por aparelhos acústicos formando o grupo de “vazamentos não visíveis detectáveis” conforme Figura 2.3 e um segundo grupo de não visíveis não detectáveis que denominamos de inerentes ou inevitáveis que são que não são detectáveis por métodos acústicos, ou por estarem muito profundos ou por serem muito pequenos ou também por serem de materiais com baixa condutividade acústica como, por exemplo, os tubos plásticos.
Os vazamentos visíveis são os que as companhias de saneamento têm a ajuda da população que os informam, sendo estes chamados rapidamente acatados e consertados sendo assim os mais fáceis de lidarem, porém na sua maioria são de baixa vazão embora tenham um bom retorno de imagem da companhia quando rapidamente solucionados.
Nos vazamentos não visíveis como o próprio nome diz, não há o afloramento da água e são os de maiores vazões, sendo assim as concessionárias envidam
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grandes esforços para o localizarem por métodos acústicos denominados de “varreduras”, nestes casos a água não aflora por diversos motivos como de solos permeáveis, existência de galerias ou redes de esgoto com “caminhos” para a infiltração em seu interior da água proveniente dos vazamentos.
À medida que os ramais e as redes de distribuição vão envelhecendo tornam-se mais suscetíveis aos danos devido às variações de pressão e a probabilidade de ocorrência de novos vazamentos aumenta. Então, facilmente se entende que as redes mais antigas sofrem maiores problemas de vazamentos, através das juntas e ressecamento das borrachas de vedação que envelhecem e perdem eficácia, ou através das próprias redes que arrebentam ou estão em mau estado de conservação. A vida útil das redes e acessórios depende do material, da pressão a que estão submetidas, da variação de temperatura, da agressividade da água e do solo, e, ainda, de como o sistema é operado.
A execução de redes, acessórios e ramais devem ser feita por profissionais qualificados, já que a montagem deficiente pode originar fendas ou torção das juntas em resultado do surgimento de assentamentos diferenciais. Também os blocos de ancoragens devem ser bem feitos e projetados nas singularidades porque senão podem ser outra razão que leva muitas vezes à ocorrência de deslocamentos e, consequentemente, ao surgimento de vazamentos (GOMES, 2011).
As características do solo envolvente poderão ser determinantes no surgimento e duração dos vazamentos. Assim, refira-se a possibilidade de ocorrência de tubulações não apoiadas inteiramente no solo devido ao arrastamento de partículas finas deste, podendo, em determinadas circunstâncias, dar origem a novos vazamentos ou ao agravamento de outros já existentes. Além disso, o tempo de detecção e localização de fugas pode ser fortemente influenciado pelo tipo de pavimento e natureza do solo. Este aspecto está relacionado com o fato de existirem solos nos quais os vazamentos automaticamente afloram à superfície, enquanto em outros, pelo contrário, dada a facilidade da infiltração da água, o afloramento à superfície pode nunca acontecer ou até mesmo ocorrer num local distante do efetivo vazamento.
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A movimentação do solo, provocados por construções recentes, escavações, e as cargas e vibrações excessivas, provocadas pela circulação viária, influenciam a ocorrência de vazamentos.
Assim são diversos os motivos que originam os vazamentos nos sistemas de abastecimento de água seguem alguns exemplos nas figuras de 2.4 a 2.5:
Figura 2.4 – Sequencia de fotos da escavação ao vazamento
Fonte: Guia Prático – Programa Nacional de Combate ao Desperdício de Água (2007)
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Figura 2.5 – Vazamento não visível
Fonte: Guia Prático – Programa Nacional de Combate ao Desperdício de Água (2007)
Figura 2.5a – Tubo corroído
Fonte: Guia do Profissional em Treinamento – Abastecimento de Água - Rede de Capacitação e Extensão Tecnológica em Saneamento Ambiental – RECESA - (2008)
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Figura 2.5b – Vazamento provocado por corrosão em tubo
Fonte: Guia do Profissional em Treinamento – Abastecimento de Água - Rede de Capacitação e Extensão Tecnológica em Saneamento Ambiental – RECESA - (2008)
A eficácia no combate à ocorrência de novos vazamentos, a fim de sanar e/ou minimizar os casos apresentados nas figuras 2.6 e 2.7, está relacionada a programas de manutenção preventiva nas tubulações, programa de reabilitação de redes de água (renovação da infraestrutura), programa de varreduras para detecção de vazamentos, implantação de proteção catódica em tubulações de aço, implantação adequada de dispositivos para redução de pressão (válvulas redutoras de pressão), e implantação e com operação adequada de sistemas de bombeamento como boosters (unidades de bombeamento).
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Figura 2.6 – Pontos Frequentes de Vazamentos em Redes de Distribuição
Fonte: Programa Nacional de Combate ao Desperdício – DTA-A2 (2003)
Figura 2.7 – Pontos Frequentes de Vazamentos em Ramais
23 2.6 Volume de água perdido por vazamentos
O volume de água perdido num vazamento depende das características do orifício pelo qual vaza e de sua duração, tempo desde o seu início até o reparo efetivo, sendo também muito influenciada pela pressão à que a rede está submetida.
O volume de água perdido de acordo com a variação das dimensões do orifício, bem como da pressão submetida encontram-se nas tabelas 2.1 e 2.2 acima.
Tabela 2.1 – Valores da Vazão (litros/s) Recuperada a partir da pressão e da área da fissura
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Tabela 2.2 – Valores da Vazão (litros/s) Recuperada a partir do Diâmetro Equivalente do Orifício
Fonte: Guia Prático – Programa Nacional de Combate ao Desperdício de Água (2007) Também é necessária a adoção de medidas preventivas para que no combate aos novos vazamentos seja possível reverter a tendência natural do crescimento de vazamentos e reduzir assim o volume perdido de água ao longo do tempo, conforme demonstrado na Figura 2.8. Este gráfico de HERPERTZ (2003) é resultado de estudos na Alemanha, onde houve grande número de substituição de redes de distribuição de água por novas redes de PVC, isto após a década de 90 com a unificação alemã. Estas hoje necessitam de constantes consertos e manutenções.
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Figura 2.8 – Ciclo de Reparos em Rede de Água
Fonte: HERPERTZ (2003)
Para se estimar o volume perdido é necessário saber a duração média de um vazamento, estes tiveram sua duração então divididas em três fases distintas: conhecimento, localização e reparo (LAMBERT, 1998).
O conhecimento é o tempo médio desde o surgimento do vazamento até o momento em que a companhia de saneamento descobre a sua existência por meio de um telefonema, no caso de um vazamento visível, ou fique sabendo mediante monitoramento da vazão mínima noturna, por exemplo, então apesar do conhecimento a companhia ainda não sabe a sua exata localização. A localização é o tempo médio que se gasta para localizar o vazamento, e o reparo é o tempo médio gasto para consertar o vazamento, a partir do momento da sua localização.
Normalmente é adotado como tempo médio do surgimento de um vazamento a metade do tempo entre duas varreduras de detecção de vazamentos, conforme figura
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2.9. Então tem relação direta com a existência de telemetria com dados de vazão e pressão e com os ciclos de varreduras.
Figura 2.9 – Relação entre a frequência de inspeção na rede e o tempo de duração do vazamento não visível
Fonte: HERPERTZ (2003)
Quando em um sistema de coleta de dados com transmissão por telemetria, o tempo de conhecimento da maior parcela dos vazamentos é menor do que um dia. Já num monitoramento da vazão mínima noturna, com periodicidade de coleta de dados a cada 28 dias, por exemplo, o tempo médio do vazamento será metade desta, no caso 14 dias. Quando das varreduras com equipamentos acústicos para detecção de vazamentos, o tempo médio será a metade do intervalo entre duas varreduras, e neste caso a etapa de localização já está dentro do tempo do conhecimento, sendo que a partir deste evento (varreduras) inicia-se o tempo de reparo.
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Os estudos dos vazamentos de um determinado setor de abastecimento bem como a redução do volume perdido com a aplicação de uma sistemática de controles telemetrizados para conhecimento e pesquisa e conserto dos vazamentos, seu tempo médio de duração e seus custos envolvidos são a base para o desenvolvimento de análises econômicas de viabilidade de diferentes métodos de controle de perdas.
2.7 Influências da pressão nos vazamentos
A maior parte dos problemas em sistemas de abastecimento de água vem da variação do regime de pressão à que os condutos ficam sujeitos e sua variação temporal. Os problemas quanto à pressão baixa entre outros são que impede ou dificulta os clientes de satisfazerem suas demandas, gerando até às vezes o que se denomina “demanda reprimida”; gera a ocorrência de cavitação; ocorre também a entrada de ar e líquidos que estão ao redor da rede podendo gerar contaminação da água distribuída e também favorece o rompimento das tubulações.
Já as pressões máximas são determinadas por normas técnicas e práticas internacionais bem sucedidas e devem ser obedecidas. No caso de ocorrerem pressões altas entre os principais problemas que poder ser gerados convém destacar o incremento das vazões perdidas nos orifícios existentes na rede; incremento da probabilidade do surgimento de novos vazamentos; incremento da possibilidade de ruptura da rede e defeitos em todos os componentes do sistema como válvulas, peças e toda a infraestrutura existente; aumento do risco de sobrepressão por bolhas de ar que existam dentro do sistema.
Convém destacar que a variação da pressão influencia diretamente as vazões de descarga dos vazamentos. A vazão que escoa num orifício de dimensões constantes é proporcional à raiz quadrada da pressão no orifício, de modo às altas pressões na rede potencializam grandes vazões nos vazamentos. Os materiais plásticos principalmente o PVC tem a área do vazamento expandida conforme se aumenta a pressão nele exercida proporcionando maiores volumes de perdas.
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Avaliações realizadas indicam que neste caso o expoente da expressão que indica a relação entre pressões na rede e vazões é da ordem de 1,5, conforme expressão 2.1..
Q1/Q0 = (Pi1/Pi0)1,5 (2.1)
Onde: Q0 é a vazão inicial: Q1 é a vazão final; Pi0 é a pressão inicial no interior da tubulação; Pi1 é a pressão final no interior da tubulação.
Normalmente nas tubulações existem materiais de todos os tipos como o ferro dúctil que não se deformam e também materiais plásticos que tem seus orifícios aumentados com o incremento da pressão, assim estudos recentes demonstram que o expoente médio é da ordem de 1,15. A Figura 2.10 apresenta a relação do incremento de pressão e variação nas vazões de fuga.
Figura 2.10 – Relação entre pressão e vazão de descarga do vazamento
Fonte: CETRE (2003)
Pressões altas contribuem ainda para o aumento do consumo de clientes que estejam com parte ou toda a rede interna predial ligada diretamente na rede, ou seja, consumo direto sem passar pelo reservatório domiciliar, apesar deste aumento de consumo ser pago pelo cliente é um acréscimo não necessário.
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A oscilação da pressão na rede é tão prejudicial quanto à pressão alta, estudos demonstram que um aumento da ordem de 15 mca aumenta a probabilidade de ocorrência de vazamentos em cem por cento e também as tubulações com baixas pressões são mais suscetíveis a tal variação de pressões.
Nos trechos bombeados é recomendável evitar a formação de ondas de pressão quando houver variações nas vazões. As ondas causadas por acionamento de bombas e abertura ou fechamentos rápidos de válvulas, denominados de transientes hidráulicos, aceleram o processo de deterioração da infraestrutura, incrementando o surgimento de novos vazamentos. Assim devem ser elaborados programas computacionais como, por exemplo, baseados em algoritmos genéticos que acompanham a variação horária dos consumos para que não ocorram sobra de pressões que potencializem os volumes perdidos e diminuem também ao máxima as ondas de pressões na rede.
A modelagem matemática é uma ferramenta eficaz para estudo do sistema de implantação de zonas de controle de pressão e instalação de válvulas reguladoras de pressão, esta ferramenta possibilita um estudo global de todo o sistema, permitindo que sejam analisadas todas as hipóteses de operação da rede de maneira a se verificar todos os comportamentos do sistema e não apenas uma pequena área de influência.
2.8 Volumes de água perdidos
No gerenciamento de um sistema de abastecimento de água é fundamental o conhecimento dos volumes entregues que são medidos através de macro medidores e também dos volumes consumidos que são medidos pelos hidrômetros em cada ligação de água quer seja residencial, comercial ou industrial, é muito importante a presença de um macro medidor em cada setor de abastecimento ou mesmo num distrito de medição e controle (DMC) e seguido de hidrômetros em todas as ligações dentro da DMC medindo assim todo o volume consumido.
O volume total de água perdido é um tarefa de difícil determinação, sendo obtido indiretamente por diferenças entre o volume entregue ao sistema e os volumes consumidos. A diferença entre estes volumes e também dos volumes referentes ao
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consumo autorizado, num espaço de tempo, é denominado de balanço hídrico do sistema.
Na figura 2.11 sua concepção dos componentes do balanço hídrico e a expressão 2.2 para determinação dos volumes pertinentes a cada parcela. O volume total e o volume registrado são obtidos a partir de medições reais.
Vtotal = Vregistrado + Vnão registrado (2.2)
O período para o levantamento do balanço hídrico é proporcional às medições e coletas de dados existentes. A transmissão rápida de dados permite que sejam feitos acompanhamento diárias das vazões para rápido conhecimento de um vazamento ou alteração na operação das redes, porém a análise do balanço hídrico é realizada mensalmente até comporem um ano inteiro fechando se assim um ciclo, então devido aos efeitos da sazonalidade o ciclo do balanço hídrico é anual.
Figura 2.11 – Componentes do Balanço Hídrico e Pontos de Medição de Vazão
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O conceito de balanço hídrico estava bem difundido, porém não havia ainda uma padronização mundial, uma padronização das diversas parcelas que compõem os consumos bem como as perdas. A International Water Supply Association – IWSA propôs então em 1999 como prática mundial a elaboração de balanços hídricos e classificação dos componentes de consumo e perda de água em cada parte do sistema, conforme a figura 2.12. Categorizando usos próprios como instalações administrativas, usos operacionais como lavagem de redes novas e reservatórios, usos especiais como suprimento social e combate a incêndios que passam então a serem considerados como consumo autorizado não faturado.
Figura 2.12 – Componentes do Balanço Hídrico
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O volume das perdas reais consiste na soma de todos os volumes de água que são entregues ao sistema, e que não são efetivamente utilizados, como os provenientes de vazamentos ou extravazamentos de reservatórios, mau funcionamento dos controles do subsistema de distribuição, vazamentos nas redes de adução, distribuição primárias e secundárias, e nos ramais das ligações, descargas sanitárias e operacionais devido à qualidade da água ou para lavagem de novas redes a serem inseridas na malha de distribuição (lavagem e desinfecção de redes novas), devidos a consertos de arrebentados de redes e desperdícios nos processos operacionais.
As perdas reais são consideradas até o ponto de responsabilidade da companhia de saneamento que normalmente é até os hidrômetros das ligações domiciliares, não sendo então considerado como perda real no balanço hídrico o volume perdido a partir deste ponto e no interior das instalações dos clientes, para estas perdas existem programas que educam os consumidores a terem um consumo racional da água em suas edificações. A perda real tem relação direta com as características físicas e operacionais do sistema de abastecimento de água, um desempenho desajustado significa vários vazamentos e consequentemente elevado volume perdido de água.
As perdas aparentes referem-se a toda água que, mesmo sendo consumida, não é faturada. As perdas aparentes são decorrentes da soma das imprecisões dos medidores que geram os faturamentos dos volumes entregues ao consumidor, e dos consumos não autorizados. Vários exemplos deste tipo de perda, os erros ou imprecisões na macromedição e também na micromedição e ligações não autorizadas, como fraudes ou furtos de água e também a existência de falhas no processo comercial da empresa como erros de leituras e cadastro comerciais desatualizados.
Os hidrômetros ainda não conseguem medir cem por cento da água que passa em seu interior, principalmente se for uma vazão baixa como, por exemplo, a reposição do nível do reservatório domiciliar, gerando uma perda aparente que implica uma perda financeira para a companhia que neste caso não tem muito a fazer a não ser especificar hidrômetros que melhor meçam cada tipo de consumo em cada imóvel e trocando sempre que necessário acompanhando o consumo mensalmente dos clientes.
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Existem também perdas por água consumida em regiões relacionadas principalmente com falta de atualização do cadastro comercial da empresa e requerem ações administrativas e comerciais que minimizem este custo, visto a água ter sido consumida.
Assim em sistemas que existam hidrômetros operando adequadamente em todas as edificações, as ligações clandestinas tenham pouca importância e existam contínuos programas de combate a fraudes, as perdas medidas tendem a serem as perdas reais.
2.9 Indicadores de perdas
Os indicadores de perdas são como todo indicador uma ferramenta para auxiliar e orientar o controle das perdas de água. Um indicador usado por quase todas as empresas de saneamento é o Índice Geral de Perdas (IP) que determina o rendimento volumétrico de um determinado setor de abastecimento.
Este indicador geralmente é expresso em porcentagem, é, portanto um indicador financeiro expressando o grau de eficiência da concessionária. Muito utilizado pelas concessionárias e suas variáveis são obtidas com relativa facilidade. Obtido a partir da relação entre o volume entregue ao sistema, tratado e disponibilizado para consumo e o volume de água faturado de acordo com os volumes registrados nos hidrômetros como demonstrado a seguir:
IP = (Volume Faturado/Volume Total) x 100 (%) (2.3)
O Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento (SNIS) calcula os indicadores de perdas na distribuição, em relação a valores percentuais, como também em volume em relação à extensão de rede e volume perdido em comparação com a quantidade de ligações; como esses indicadores utilizam a relação entre volume consumido e o disponibilizado, são adequados às empresas de saneamento, embora sejam uma composição de perdas reais (vazamentos) e de perdas aparentes. A Figura 2.13 apresenta as perdas em porcentagens de diversas empresas nacionais em 2012.
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Figura 2.13 – Índice de Perdas na Distribuição das Companhias Nacionais em 2012
Fonte: Sistema Nacional de Informações Sobre Saneamento – SNIS (2012)
Como este indicador é percentual e representa bem a questão financeira, e, portanto não deve ser utilizado como único indicador, mas sim compor com outros indicadores com a finalidade de implantar um programa de redução de perdas e um controle ativo dos vazamentos (pesquisa e detecção de vazamentos).
Muito importante é estudar o comportamento dos índices ao longo do tempo, verificando a variação temporal do índice de perdas, verificando tendências e executando ações corretivas buscando que o indicador tenha sempre uma tendência de redução constante das perdas.
35 3 ESTUDO DE CASO
Essa pesquisa investiga e compreende como é possível abastecer uma mesma região ou área com menos água, apenas mudando o local de entrada da mesma, de maneira que a pressão média do setor a menor possível.
3.1 Hipótese da Pesquisa
Se uma região for abastecida com o fluxo de água do ponto alto para o baixo, então as vazões dos vazamentos serão menores.
3.2 Aplicabilidade do Conceito de Redução das Pressões na região
A Figura 3.1 mostra a planta da região central com a área de estudo hachurada em cor laranja e com a adutora ao reservatório Cotia-Atalaia em vermelho e em amarelo a adutora ao reservatório Cotia-Centro.
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Figura 3.1 – Planta da área abastecida e das adutoras aos reservatórios Cotia-Atalaia e Cotia-Centro
Na figura 3.2 são observadas as linhas piezométricas com os abastecimentos pelos dois lados onde se percebe que a linha piezométrica do setor Cotia Centro ZA é a opção que gera menores pressões aos clientes da companhia e por isso encoraja a aplicar o conceito da influencia das reduções das pressões
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Figura 3.2 – Perfil do Terreno e Piezométricas dos dois abastecimentos
3.3 Simulação Numérica
Para entender como a alteração do ponto de abastecimento influencia as pressões (cargas) da rede, foram feitas simulações utilizando o programa WaterCad. Este software permite a análise hidráulica de rede de água, determinando as pressões nos diversos nós do sistema, como também a vazão nos tubos, as perdas de cargas nas tubulações, e condições operacionais como níveis dos reservatórios, operação de válvulas e boosters. Também pode ser utilizado para gerenciamento da rede de água e elaboração de levantamento dos custos de implantação de um sistema de abastecimento.
Um dos motivos da escolha do programa WaterCAD é que a Bentley (empresa fornecedora do software) tem convênio com a FEC-UNICAMP disponibilizando licenças aos alunos da Faculdade. Também este software tem total
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interatividade com outros softwares gráficos, como o AutoCAD e o ArcGis, e também possibilita interface que importa os dados do cadastro de informações Signos (Sistema de Informações Georreferenciadas da Sabesp).
3.3.1 Bases conceituais - Método Gradiente
O programa WaterCad utiliza o método do gradiente para calcular as vazões e cargas em uma rede. Segue uma descrição do mesmo.
As vazões e cargas em uma rede são obtidas através da solução de um sistema de equações, que resulta da aplicação da equação da energia em cada tubo e da equação da continuidade aplicada em cada nó da rede. O algoritmo do gradiente lineariza as equações, através do método de Newton, e as equações são colocadas em forma matricial. Depois este sistema de equações é manipulado algebricamente, resultando em um sistema que envolve somente as cargas como incógnitas. Tem-se, então, um processo iterativo em que, dada uma estimativa inicial para as vazões, as cargas são calculadas, resolvendo um sistema de equações lineares, com as cargas, novas vazões podem ser calculadas. Então o processo pode ser repetido, resultando em novas cargas, e assim por diante, até que a variação das cargas e das vazões seja menor que uma determinada tolerância, quando o processo iterativo é paralisado.
Mais informações sobre este método podem ser obtidas no manual do programa Epanet (Rosman, 2000).
3.3.2 Levantamento das Características da Rede
Conhecer os dados da rede de distribuição e a pressão em que estas operam durante as 24 horas do dia (período estendido) é de suma importância para a correta representação da realidade. A mesma importância se dá também para os equipamentos instalados na malha como, por exemplo, VRP’s (válvula redutoras de pressão), válvulas de bloqueio, válvulas que permitem o fluxo da água em apenas uma direção, sistemas de bombeamentos, válvulas telecomandadas de entrada de reservatórios setoriais, ventosas e descargas entre outros.
