Diogo Luís Machado de Sousa
Aplicação da Teoria da Vulnerabilidade
a redes de abastecimento de água reais
com desenvolvimento e recurso a
programas de cálculo automático
Diogo Luís Machado de Sousa
Aplicação da T
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ulnerabilidade a redes de abas
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Diogo Luís Machado de Sousa
Aplicação da Teoria da Vulnerabilidade
a redes de abastecimento de água reais
com desenvolvimento e recurso a
programas de cálculo automático
Dissertação de Mestrado
Mestrado Integrado em Engenharia Civil
Trabalho Efetuado sob a orientação do
Professor Doutor António Armando Lima
Sampaio Duarte
AGRADECIMENTOS
A presente dissertação de mestrado assinala a conclusão de uma fase marcante do meu percurso académico e, como tal, não posso deixar de agradecer a um conjunto de pessoas e entidades, que contribuíram de forma significativa para o meu sucesso.
Primeiramente, ao Professor Doutor António Armando Lima Sampaio Duarte, pela sua partilha de conhecimentos e por me ter proporcionado a oportunidade de realizar este trabalho de investigação sob a sua orientação.
À Empresa de Águas, Efluentes e Resíduos de Braga – AGERE, pela cedência de informação fundamental para a realização do trabalho. Um agradecimento particular, ao Engenheiro João Silva e ao Senhor Tiago Araújo, pela disponibilidade e simpatia demonstradas ao longo de todo este período de cooperação.
Uma palavra de gratidão à minha entidade patronal, Pingo Doce S.A, e, naturalmente, aos meus colegas de trabalho, que de uma forma ou outra, contribuíram decisivamente para o meu sucesso, tanto pessoal como profissional.
Como não poderia deixar de ser, um agradecimento muito especial aos meus prezados amigos Raquel Monteiro, André Rodrigues, Miguel Costa, André Santos, David Palhares, Ana Isabel Martins, Sara Barbosa, Jorge Carvalho, Mónica Pereira, Julien Domingues, João Gonçalves, Luís Freitas e Luís Silva pelo apoio e pelo interesse revelado.
Por fim, à minha querida e estimada família pelo incessante apoio desde todo o sempre.
A Teoria da Vulnerabilidade de Redes de Abastecimento de Água (TVRAA) é um conceito emergente e em desenvolvimento, tendo como objetivo identificar as zonas mais vulneráveis das redes de abastecimento de água (RAA) através da definição de cenários de dano. Esta baseia-se num algoritmo que permite classificar trechos da rede em função da sua posição e das suas características físicas e comportamentais e, desta forma, determinar os cenários mais críticos. Porém, a aplicação manual da TVRAA a RAA é praticamente inviável, desta forma, foi desenvolvido um programa de cálculo automático, designado de Theory of Vulnerability of Water Pipe Networks (TV-WPN).
Nesse sentido, este trabalho tem o propósito de desenvolver e aplicar a TVRAA a contextos reais, através da utilização e interação de programas de cálculo automático. Isto, com o intuito de tornar a TVRAA uma ferramenta ainda mais expedita, principalmente, no contexto profissional, incentivando a sua utilização por parte de projetistas e entidades gestoras de infraestruturas hidráulicas.
Assim, nesta dissertação foi apresentada, testada e validada, a interface “EPAtoTV” que efetua a ligação entre o programa de modelação e simulação hidráulica mais utilizado, o EPANET, e o TV-WPN.
Como contributo para o desenvolvimento da TVRAA foi, ainda, proposto um novo método para o cálculo da “perda de rede”, bem como, uma alternativa mais simples e rápida de efetuar o processo de desaglutinação.
Foi realizado o estudo ao desempenho hidráulico e à vulnerabilidade de um subsistema de abastecimento do concelho de Braga, através da utilização de ferramentas de cálculo e processamento automático, entre as quais, o EPAtoTV e TV-WPN. Permitindo, desta forma, verificar e avaliar o seu desempenho num caso real.
Palavras-chave: sistemas de abastecimento de água; Teoria da Vulnerabilidade; modelação hidráulica (EPANET); programa EPAtoTV; aplicação do TW-WPN; mapeamento da vulnerabilidade.
The Theory of Vulnerability of Water Pipe Networks (TVWPN) is an emergent concept and is keeping development, with the purpose to identify the most vulnerable parts of water supply systems by defining failure scenarios. This is based on an algorithm that allows classifying network segments according to their position, their physical and behavioral characteristics and thus determining the critical scenarios. However, the manual application of TVWPN is almost impossible to be used in real cases. So it has been developed an automatic computation program, named Theory of Vulnerability of Water Pipe Networks.
For this reason, this work aims to develop and apply the TVRAA real contexts, and interaction through the use of automatic calculation programs. This, with the goal of making TVRAA a more expeditious tool, especially in a professional context, encouraging their use by designers and managing bodies of hydraulic infrastructure. Thus, this document was presented, validated and explained the “EPAtoTV” program, and it is exposed how and the reasons to why was developed. This program aims to do the connection between the most used hydraulic modeling and simulation program, EPANET 2.0, and the TV-WPN 1.9 Beta. It is also proposed a new methodology to calculate the “Separateness”, even as a new easier way to apply the “Unzipping Process”.
We analyzed the hydraulic performance and vulnerability of a system of water supply in the municipality of Braga, through the use of automatic processing and calculation tools, including the EPAtoTV and TV-WPN. Thus, allowing you to check and evaluate its performance in a real case.
Keywords: water supply systems; Theory of Vulnerability ; hydraulic modeling (EPANET); EPAtoTV program; TV-WPN application; vulnerability mapping.
1. INTRODUÇÃO ... 1
1.1. Enquadramento e relevância do tema... 1
1.2. Objetivos ... 4
1.3. Estrutura da dissertação ... 5
2. TEORIA DA VULNERABILIDADE DE RAA: ESTADO DA ARTE ... 7
2.1 Generalidades ... 7
2.2 Fundamentos teóricos (TVRAA) ... 8
2.2.1 Conceitos base ... 8
2.2.2 Qualidade de forma ... 10
2.2.3 Cenários de dano ... 13
2.2.4 Parâmetros de Vulnerabilidade ... 15
2.2.5 Quantificação do risco de danos vulneráveis ... 17
2.3 Etapas de aplicação prática ... 18
2.3.1 Processo de aglutinação da TVRAA... 18
2.3.2 Formação do modelo hierárquico ... 20
2.3.3 Processo de desaglutinação ... 21
2.3.4 Mapeamento da vulnerabilidade de RAA ... 23
2.4 Programa de Cálculo Automático - TV-WPN ... 24
2.5 Avaliação do desempenho hidráulico de RAA reais através de programas de cálculo automático... 26
2.5.1 Modelação de redes de abastecimento de água reais ... 27
2.5.2 Breve descrição do programa EPANET e importância na interligação com a análise de vulnerabilidade de redes reais ... 30
3.1.1. Conceito de perda de rede ... 33
3.1.2. Metodologia alternativa para o processo de desaglutinação ... 37
3.2. Descrição do programa EPAtoTV, desenvolvido para interface entre o EPANET e o TV-WPN... 39
3.2.1. Objetivo e relevância do programa ... 39
3.2.2. Estrutura e especificidades do programa ... 40
3.2.3. Exemplo de aplicação a uma rede fictícia ... 42
4. APLICAÇÃO DA TV A UMA REDE REAL COM RECURSO A PROGRAMAS DE CÁLCULO AUTOMÁTICO ... 47
4.1. Metodologia de trabalho... 47
4.2. Modelação da RAA com recurso ao EPANET ... 48
4.2.1. Descrição física da RAA em estudo ... 48
4.2.2. Conceptualização do modelo ... 52
4.2.3. Utilização do programa EPANET 2.0 ... 55
4.2.4. Estimativa e distribuição espacial dos consumos ... 58
4.2.5. Calibração do modelo ... 64
4.3. Análise do desempenho hidráulico do subsistema de abastecimento ... 67
4.4. Aplicação e validação do programa EPAtoTV ... 71
4.5. Aplicação do TV-WPN ao caso de estudo ... 73
4.5.1. Definição das debilidades detetadas na sua aplicação ... 73
4.5.2. Reformulação da metodologia de trabalho ... 74
4.5.3. Análise da vulnerabilidade de uma sub-rede ramificada (SRR) ... 75
4.5.4.1. Cálculo Manual... 94
4.5.4.2. Cálculo automático com o TV-WPN... 97
4.5.4.3. Processo de desaglutinação alternativo pelo TV-WPN ... 102
4.5.4.4. Mapeamento da vulnerabilidade e representação dos cenários de dano ... ... 105
4.6. Análise crítica dos resultados ... 106
4.6.1. TVRAA ... 106
4.6.2. TV-WPN ... 108
5. CONCLUSÕES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS... 109
5.1. Conclusões ... 109
5.2. Desenvolvimentos futuros ... 112
BIBLIOGRAFIA ... 115
Figura 2.2 – Parâmetros que influenciam a qualidade de forma de uma RAA. ... 10
Figura 2.3 – RAA que exemplifica do cálculo da conexão nodal. ... 12
Figura 2.4 – Cenário de dado vulnerável de colapso progressivo total. ... 15
Figura 2.5 – Modelo Hierárquico de uma RAA ... 20
Figura 2.6 – Tipos de anéis de uma RAA ... 21
Figura 2.7 – Quantificação dos intervalos da escala relativa de vulnerabilidade. ... 23
Figura 2.8 – Mapeamento da vulnerabilidade de uma RAA. ... 24
Figura 2.9 – Fluxograma do programa TV-WPN. ... 25
Figura 2.10 – Página Web de apresentação do TV-WPN. ... 26
Figura 3.1 – Exemplo de RAA ramificada, para demonstração da pertinência de um novo conceito de “perda de rede”. ... 34
Figura 3.2 – Comportamento da RAA após eventos de dano nos tramos 2 e 3. ... 36
Figura 3.3 – Fluxogramas comparativos do processo de desaglutinação atual e do processo alternativo proposto. ... 37
Figura 3.4 – Sequência ordenada de sub-RAA a desaglutinar. ... 38
Figura 3.5 – Fluxograma do EPAtoTV. ... 40
Figura 3.6 – Aspeto visual do EPAtoTV. ... 41
Figura 3.7 – Local de identificação da classe de pressão da tubagem. ... 42
Figura 3.8 – RAA que serve de modelo para aplicação do EPAtoTV. ... 43
Figura 3.9 – RAA fictícia modelada do EPANET. ... 44
Figura 3.10 – Exemplo da gravação do modelo de simulação da RAA em formato “.txt”. ... 44
Figura 3.11 – Definição da simbologia da tubagem no MSH. ... 45
Figura 3.12 – Adicionar reservatório(s) à RAA no EPAtoTV. ... 45
Figura 3.13 – Resultados da aplicação do programa TV-WPN à RAA fictícia. ... 46
Figura 4.1 – Fluxograma da metodologia de trabalho. ... 47
Figura 4.2 – Mapa do sistema de abastecimento de água do concelho de Braga. ... 49
Figura 4.3 – Mapa do subsistema de abastecimento de Este São Mamede ... 50
Figura 4.4 – Métodos de conversão das polylines (AutoCAD) em condutas (EPANET) no EpaCAD. ... 53
Figura 4.5 – Graus de tolerância da ligação entre polylines no EpaCAD. ... 54
Figura 4.6 – Etapa de conversão de ficheiros (EpaCAD). ... 54
Figura 4.7 – Exemplo de numeração dos elementos da RAA. ... 55
Figura 4.8 – Exemplo de modelação de uma tubagem e de um nó. ... 56
Figura 4.11 – Unidades Territoriais Estatísticas de Portugal. ... 60
Figura 4.12 – Representação da divisão censitária da freguesia de Este São Mamede. ... 61
Figura 4.13 – Delimitação das áreas de influência de nós da RAA (exemplo). ... 62
Figura 4.14 – Parâmetros de calibração previstos no programa EPANET. ... 64
Figura 4.15 – Mapeamento dos caudais da RAA de São Mamede de Este (Braga). ... 67
Figura 4.16 – Mapeamento das velocidades da RAA de São Mamede de Este (Braga)... 68
Figura 4.17 – Mapa de isolinhas das cotas e das pressões da RAA de São Mamede de Este (Braga). ... 70
Figura 4.18 – Pressão dos nós da RAA de São Mamede de Este (Braga). ... 71
Figura 4.19 – Aplicação do EPAtoTV à RAA de São Mamede de Este: etapa de processamento.72 Figura 4.20 – Resultado da aplicação do TV-WPN ao caso de estudo: processamento incompleto. ... 73
Figura 4.21 – Mensagem de erro do TV-WPN na simulação do caso de estudo. ... 73
Figura 4.22 – Fluxograma da nova metodologia de trabalho após insucesso inicial na aplicação do TV-WPN. ... 75
Figura 4.23 – Localização na rede e pormenor da sub-rede ramificada em estudo. ... 76
Figura 4.24 – Rede ramificada modelada no EPANET. ... 77
Figura 4.25 – Modelo hierárquico da sub-rede ramificada. ... 80
Figura 4.26 – Modelo hierárquico da sub-rede ramificada resultante da aplicação do TV-WPN. 88 Figura 4.27 – Cenário de dano resultante da desaglutinação da sub-RAA 60. ... 90
Figura 4.28 – Escala de vulnerabilidade da sub-rede ramificada. ... 91
Figura 4.29 – Mapeamento da vulnerabilidade da rede ramificada ... 92
Figura 4.30 – Localização na rede global e pormenor da sub-rede mista. ... 93
Figura 4.31 – Sub-rede mista modelada no EPANET. ... 93
Figura 4.32 – Modelo hierárquico da sub-rede mista. ... 95
Figura 4.33 – Modelo hierárquico com conversão de numeração da rede mista. ... 100
Figura 4.34 – Disparidade na consideração dos reservatórios na sub-RAA 36/83. ... 104
Figura 4.35 – Resumo da aplicação do TVRAA à sub-RAA 41/99. ... 104
Figura 4.36 – Representação das sub-RAA 38/88 e 31/75, respetivamente. ... 105
Figura 4.37 – Escala de vulnerabilidade da rede mista. ... 105
modelação. ... 28
Tabela 3.1 – Valores da perda de rede ( ) pelas duas metodologias... 34
Tabela 3.2 – Processo de desaglutinação alternativo das sub-RAA. ... 38
Tabela 3.3 - Características geométricas e hidráulicas da RAA. ... 43
Tabela 3.4 – Resultado da aplicação do programa EPAtoTV à RAA fictícia. ... 46
Tabela 4.1 – Unidades de medida dos parâmetros utilizados na modelação hidráulica. ... 52
Tabela 4.2 – Simbologia utilizada para os elementos constituintes da rede ... 53
Tabela 4.3 – Dados demográficos das freguesias abrangidas pela RAA de São Mamede de Este. 61 Tabela 4.4 – Estrato da síntese da atribuição dos consumos-base aos nós da RAA. ... 63
Tabela 4.5 – Calibração da pressão no MSH... 66
Tabela 4.6 – Primeiro passo da aplicação do processo de aglutinação da sub-rede ramificada. .... 78
Tabela 4.7 – Resumo dos diversos passos do processo de aglutinação para a sub-rede ramificada. ... 79
Tabela 4.8 – Síntese do processo de desaglutinação da sub-rede ramificada. ... 81
Tabela 4.9 – Cenários de dano e parâmetros de vulnerabilidade da sub-RAA ramificada. ... 83
Tabela 4.10 – Comparação de resultados do pré-processamento da sub-rede ramificada. ... 85
Tabela 4.11 – Comparação dos processos de aglutinação da sub-rede ramificada. ... 86
Tabela 4.12 – Comparação dos resultados do processo de desaglutinação e dos parâmetros de vulnerabilidade obtidos pelas duas metodologias, para a sub-rede ramificada. ... 89
Tabela 4.13 – Resumo dos diversos passos do processo de aglutinação para a sub-rede mista. .... 94
Tabela 4.14 – Síntese do processo de desaglutinação da sub-rede mista. ... 96
Tabela 4.15 – Cálculo dos parâmetros de vulnerabilidade da rede mista. ... 97
Tabela 4.16 – Comparação de resultados do pré-processamento da sub-rede mista. ... 98
Tabela 4.17 – Comparação dos processos de aglutinação da sub-rede mista. ... 99
Tabela 4.18 – Comparação dos resultados do processo de desaglutinação e dos parâmetros de vulnerabilidade obtidos pelas duas metodologias, para a sub-rede mista. ... 101
Tabela 4.19 – Comparação dos cenários de dano identificados pelos quatro diferentes métodos de desaglutinação. ... 103
– Intervalo de vulnerabilidade
– Arranjos simples de troços, a
– Seleção da sub-RAA que está ligada diretamente ao sub-RAA de referência – Seleção da sub-RAA aglutinada posteriormente
– Consequências de um determinado evento – Diâmetro
– Distância ao reservatório – Capacidade resistente ao dano – Evento de dano “trigger” – Evento de consequente
– Capacidade resistente ao dano relativa – Escolha livre
– Seleção da sub-RAA primitiva em detrimento de uma sub-RAA – Seleção da sub-RAA que não é sub-RAA de referência
– Pressão nominal do tubo
– Probabilidade de ocorrência de um evento
– Probabilidade de ocorrência de um cenário de dano vulnerável – Caudal
– Risco do evento
– Seleção da sub-RAA com menor capacidade resistente ao dano
– Seleção da sub-RAA com maior perda de carga
– Velocidade de escoamento
– Consequências em termos de funcionamento da RAA
– Risco associado aos cenários de dano vulneráveis passíveis de ocorrer nas RAA – Perda de rede
– Perda de carga – Conexão nodal
ETA – Estação de Tratamento de Água GPI – Gestão Patrimonial de Infraestruturas INE – Instituto Nacional de Estatística MS – Modelo de Simulação
MSH – Modelo de Simulação Hidráulico OMS – Organização Mundial de Saúde ONU – Organização das Nações Unidas PDM – Plano Diretor Municipal
RAA – Rede de abastecimento de água SRM – Sub-rede mista
SRR – Sub-rede ramificada TV – Teoria da Vulnerabilidade
TV-WPN – Theory of Vulnerability of Water Pipe Networks TVE – Teoria da Vulnerabilidade Estrutural
TVRAA – Teoria da Vulnerabilidade de Redes de Abastecimento de Água VRP – Válvula redutora de pressão
1.
INTRODUÇÃO
1.1.
Enquadramento e relevância do tema
A água constitui um recurso essencial à vida, como tal é um direito e um bem público. Sendo um elemento escasso e não disponível uniformemente por toda a superfície terrestre, a limitação do acesso a água potável gera desigualdades sociais, económicas e políticas com influência significativa no bem-estar, no desenvolvimento e na qualidade de vida das populações. De forma a combater o flagelo mundial do não acesso a água para consumo humano em muitas regiões subdesenvolvidas, a Organização das Nações Unidas (ONU) comprometeu-se, a reduzir para metade o número de pessoas que não têm acesso sustentável a água potável segura, até 2015. De acordo com a Organização Mundial de Saúde (OMS), são necessários entre 50 a 100 litros de água por pessoa, por dia, para assegurar a satisfação das necessidades mais básicas e a minimização dos problemas de saúde pública.
Desde o Homem primitivo até aos nossos dias, o desenvolvimento das sociedades está diretamente relacionado com o acesso a água para consumo. O Homem procurou desde sempre satisfazer as suas necessidades recorrendo às reservas naturais que apresentassem água com boas características organoléticas. Mas só a partir de meados do século XX a humanidade reconheceu o verdadeiro valor deste elemento vital, como fator básico do desenvolvimento económico e social, fruto do incremento das pressões exercidas pelo crescimento demográfico, pelo desenvolvimento industrial e pela progressiva concentração urbana, sobre a quantidade e a qualidade da água potável disponível (Alves, 2012).
Atualmente a qualidade da água distribuída aos consumidores, através dos sistemas públicos de abastecimento de água, é um dos principais parâmetros de avaliação do nível de desenvolvimento de um país. Em Portugal, segundo os dados recentemente publicados pela Entidade Reguladora dos Serviços de Águas e Resíduos (ERSAR), cerca de 98,2 % da água distribuída é controlada e de boa qualidade. Entendendo-se por “boa qualidade” uma água isenta de microrganismos patogénicos, não contendo substâncias químicas em concentrações tóxicas, com características organoléticas (turvação, cor, cheiro e sabor) tais que os consumidores não questionem a sua segurança e cuja composição não induza uma deterioração estrutural precoce dos sistemas de abastecimento.
A prestação de um serviço como o abastecimento de água, deve reger-se por um conjunto de princípios onde se destacam a universalidade de acesso, a continuidade, qualidade de serviço e a eficiência (Duarte et al., 2010). De modo a salvaguardar estes princípios torna-se necessário prever e/ou atenuar possíveis cenários de risco que ponham em causa o bom funcionamento dos sistemas de abastecimento e consequentemente da qualidade da água distribuída.
Neste contexto, foi desenvolvida a Teoria da Vulnerabilidade de Redes de Abastecimento
de Água (a seguir identificada como TVRAA), que surgiu da adaptação às redes hidráulicas dos fundamentos teóricos da Teoria da Vulnerabilidade Estrutural (TVE), inicialmente desenvolvida na Universidade de Bristol (Reino Unido). Os trabalhos de investigação sobre este tema encontram-se, ainda, numa fase embrionária, mas em constante desenvolvimento e a suscitar um crescente interesse, conforme se comprova pelas sucessivas publicações de artigos científicos nos últimos anos.
O principal objetivo da TVRAA é identificar os elementos mais vulneráveis de uma rede de abastecimento de água (RAA) através da definição de cenários de dano vulneráveis e, desta forma, dar um contributo quer na fase de projeto quer na fase de gestão (exploração e reabilitação).
Na fase de projeto ajudará o projetista a decidir acerca da necessidade de reforço (redundância) ou de redimensionamento das zonas da rede estruturalmente ou hidraulicamente mais sensíveis de modo a melhorar a resiliência desses sistemas. Na fase de gestão dos sistemas de abastecimento de água será um importante instrumento de suporte à decisão quer na elaboração de planos de manutenção e de reabilitação, quer na definição das prioridades de intervenção, ao permitir uma seleção criteriosa dos elementos da rede mais importantes, em função da sua vulnerabilidade avaliada com base nas consequências produzidas por um ou mais cenários de dano (Varajão et al., 2012). O Decreto-Lei n.º 306/2007, de 17 de Agosto, define no seu artigo 8º que os sistemas de abastecimento público devem disponibilizar água devidamente controlada, em quantidade que satisfaça as necessidades básicas da população e em qualidade. Neste sentido a TVRAA poderá ter, no futuro, um papel relevante na previsão/mitigação de potenciais eventos de risco nas RAA através da sua incorporação, como complemento aos modelos de simulação hidráulica, em sistemas de suporte à decisão a implementar pelas entidades
De modo a tornar esta teoria numa ferramenta útil e de aplicação prática expedita (sem necessidade dum conhecimento profundo dos fundamentos da TVRAA), foi feito um importante esforço, por investigadores de várias universidades portuguesas (UTAD, UMinho e UAveiro), no desenvolvimento de um programa de cálculo automático designado Theory of Vulnerability of Water Pipe Networks (TV-WPN), já disponível na versão 1.9 Beta. Trata-se de um programa ainda em desenvolvimento, cuja aplicação a redes reais não foi ainda testada, pelo que tal será um dos objetivos principais deste trabalho.
Um modelo (físico ou matemático) visa representar e descrever o funcionamento de um determinado sistema da forma mais próxima possível da realidade, a partir de um pequeno conjunto de variáveis que permita a obtenção de resultados credíveis e com uma incerteza aceitável como resposta a um dado cenário de simulação.
A modelação matemática da hidrodinâmica e da qualidade da água em sistemas de abastecimento de água desempenha atualmente um papel preponderante e de utilização cada vez mais frequente nas suas fases de projeto e gestão. Existem cada vez mais entidades a utilizar este tipo de ferramenta informática, que pelas suas enormes potencialidades, na simulação de diferentes cenários de funcionamento, permitem aumentar a eficiência da gestão destas infraestruturas ao reduzir substancialmente custos de exploração e de manutenção, ao sustentar a implementação atempada de medidas preventivas que assegurem uma operação adequada e contínua desses sistemas.
Existem vários programas informáticos comerciais (HIDROCAD, EPANET, WATERCAD, STRUMAP e SYNERGEE WATER) que permitem simular de forma eficaz os vários regimes de escoamentos sob pressão em redes de abastecimento de água, permitindo avaliar o seu comportamento hidráulico, alguns dos quais com incorporação da simulação da variação de alguns parâmetros de qualidade da água.
A necessária articulação entre a obtenção de resultados, através de programas de cálculo automático (modelação) de RAA, relativos aos parâmetros hidráulicos e a sua posterior introdução como dados requeridos pelo TV-WPN (para avaliação da vulnerabilidade das mesmas) carece de uma interface que concretize essa articulação de forma automática, reduzindo substancialmente o trabalho e o tempo de pré-processamento do TV-WPN.
O desenvolvimento dessa interface (aplicação informática) permitirá uma utilização mais simples e rápida da TVRAA, contribuindo decisivamente para incentivar a progressiva adoção destes conceitos e metodologias emergentes por parte das entidades gestoras destes sistemas de saneamento básico.
1.2.
Objetivos
O objetivo principal desta dissertação é contribuir para o desenvolvimento e aplicação da TVRAA a sistemas reais através da progressiva disponibilização de ferramentas de cálculo automáticos, de modo a que, ao simplificarem o processamento das várias etapas do cálculo, incentivem uma utilização generalizada por parte de projetistas e entidades gestoras destas infraestruturas hidráulicas. Para atingir esse objetivo foram definidos os seguintes objetivos específicos:
Aprofundar a revisão bibliográfica efetuada de modo a compreender claramente os aspetos mais relevantes deste tema, incluindo os aspetos determinantes da sua ligação à prática profissional associada ao projeto e gestão de RAA;
Análise crítica dos fundamentos teóricos e metodologia atual da TVRAA de modo a propor alguns contributos para o seu desenvolvimento e consolidação;
Pesquisa, seleção e estudo das potencialidades e do funcionamento de modelos de simulação hidráulica de RAA capazes de simular o seu desempenho hidráulico, incluindo a pesquisa de interfaces de pré-processamento (e.g., programa EpaCAD); Recolha, seleção e tratamento da informação (cadastral e operacional) disponível
relativa ao subsistema de abastecimento de água de Este, S. Mamede, do concelho de Braga, selecionado como caso de estudo para aplicação/teste do programa TV-WPN; Construção do modelo da RAA de Este, S. Mamede com base na aplicação do
programa de modelação EPANET e na interface EpaCAD;
Desenvolvimento e validação de um programa de cálculo automático como interface entre o EPANET (modelação hidráulica de RAA) e o programa TV-WPN (avaliação da vulnerabilidade de RAA), incluindo a sua aplicação ao caso de estudo.
Aplicação e análise dos resultados do programa TV-WPN no caso duma rede real (caso de estudo), visando a sua validação, com recurso a ferramenta de cálculo automático na definição e importação dos seus dados de entrada.
1.3.
Estrutura da dissertação
Este documento encontra-se dividido em cinco capítulos, sendo o primeiro, um capítulo introdutório, onde se aborda a importância e relevância do tema no contexto atual da hidráulica ambiental, nomeadamente da necessidade de acesso universal a uma água segura para consumo humano. São ainda propostos os objetivos (geral e específicos) a alcançar com o desenvolvimento dos trabalhos conducentes a esta dissertação e, por fim, é apresentada a estrutura e organização do presente documento.
No segundo capítulo é realizada uma síntese dos resultados da revisão bibliográfica efetuada sobre este tema, onde são referidos os conceitos e metodologias, essenciais ao desenvolvimento do trabalho, provenientes de dissertações e artigos científicos já publicados sobre a TVRAA. Faz-se um enquadramento histórico, como surgiu, porquê, a que se destina e quais os benefícios desta teoria emergente, sendo apresentada uma descrição sumária da mesma e explicada a sua metodologia de aplicação. São ainda apresentados e comparados os principais programas informáticos de modelação hidráulica de RAA disponíveis no mercado, com o propósito de selecionar a ferramenta de cálculo automático mais adequada ao presente trabalho de investigação.
No terceiro capítulo pretendeu-se dar um contributo para o desenvolvimento dos fundamentos teóricos da TVRAA, quer com uma proposta a reformulação do conceito de
perda de rede, quer através da apresentação de um processo de desaglutinação alternativo ao atualmente instituído. Para melhor elucidar ambos s contributos, são apresentados exemplos práticos simples que visam explicitar as diferenças de abordagem entre a atual e a agora proposta. Ainda neste capítulo é apresentado e descrito o programa informático, () designado por “EPAtoTV”, desenvolvido, neste trabalho de investigação, com interface entre os programas de cálculo EPANET e o TV-WPN. São referidas as suas principais características, módulos e vantagens que justificaram o seu desenvolvimento. Optou-se ainda por apresentar um exercício de aplicação, para descrição detalhada de todos os passos a efetuar, desde a geração dos relatórios no EPANET até à obtenção do ficheiro de saída gerado nesta interface para posterior leitura no programa TV-WPN.
No capítulo quatro começa-se por apresentar a metodologia de trabalho definida para se atingirem os objetivos propostos associados à aplicação do TV-WPN a redes reais. Nesse sentido, efetua-se uma descrição e análise geral dum subsistema de abastecimento de água do concelho de Braga, o de São Mamede de Este (população, freguesias abrangidas,
tipologia da rede, consumos por nó, material, classe e idade das tubagens), de modo a sustentar as opções tomadas durante a construção do modelo que foi desenvolvido, com base no programa EPANET, para avaliação do desempenho hidráulico dessa RAA real. De seguida, são descritos os procedimentos e etapas relativos à aplicação do EpaCAD e do programa de interface EPAtoTV até à obtenção e introdução dos dados de entrada e no programa TV-WPN. Por último são apresentados e discutidos os resultados obtidos pela aplicação do TV-WPN a duas sub-redes (uma ramificada e uma mista) do subsistema em estudo, face à necessidade de reformulação da metodologia de trabalho resultante do insucesso inicial na aplicação do TV-WPN à globalidade do subsistema devido a especificidades do mesmo, que se encontram aí analisadas.
No último capítulo são apresentadas as principais conclusões decorrentes da realização deste trabalho de investigação e sugerem-se alguns tópicos para futuros desenvolvimentos que se entendem pertinentes para aprofundar os fundamentos da TVRAA e para fomentar a sua aplicação prática de modo a ter uma adesão crescente de utilizadores no meio profissional, quer em termos de projetistas quer em termos de entidades gestoras de infraestruturas hidráulicas.
2.
TEORIA DA VULNERABILIDADE DE RAA: ESTADO DA
ARTE
No presente capítulo é realizada e apresentada uma síntese da bibliografia com o objetivo de verificar o estado do conhecimento sobre o tema desta dissertação, fazendo-se um enquadramento e contextualização de diversos conceitos e metodologias que são abordados ao longo deste trabalho.
2.1
Generalidades
A Teoria da Vulnerabilidade (TV) foi inicialmente desenvolvida para aplicação a Estruturas (TVE) e, nesse âmbito, tem vindo a ser desenvolvida, desde 1993, pela Universidade de Bristol.
Numa primeira fase foram definidos os fundamentos teóricos da TVE e, posteriormente, quantificou-se a probabilidade da ocorrência de um cenário de dano com base num trabalho de investigação. Em 1997 começou-se por desenvolver um programa de cálculo automático para a aplicação prática da TVE. Alguns anos mais tarde, a TVE foi revista e desenvolvida de forma a possibilitar a realização de análises estruturais em 3D. Em 2002 foi possível quantificar o risco de cenário de dano vulnerável aplicando esta teoria (Pereira, 2009).
A realização de sucessivos trabalhos de investigação, em particular de Agarwal et al. (2000), constatou-se que os fundamentos teóricos da TV poderiam ser aplicados a outros domínios, além das estruturas como são os casos das redes de tráfego, redes hidráulicas, circuitos elétricos e até mesmo a empresas.
Neste contexto, têm sido desenvolvidos diversos trabalhos de investigação a nível nacional, dos quais já resultaram três dissertações de mestrado (Bastos, 2008) (Pereira, 2009) (Afonso, 2010) e vários artigos científicos (Bentes et al., 2011) (Duarte et al., 2010), todos eles com o objetivo principal de transpor os fundamentos teóricos da TV para aplicação a redes de abastecimento de água (RAA), procedendo sempre que possível ao reajustamento de conceitos e processos. Assim, resultando uma teoria emergente designada de Teoria da Vulnerabilidade de Redes de Abastecimento de Água (TVRAA). Do trabalho de investigação inicial de Bastos (2008), resultou a primeira transposição dos conceitos base da TVE para o domínio das redes hidráulicas, nomeadamente de
abastecimento de água, permitindo identificar a(s) parte(s) mais vulnerável(is) de uma RAA.
Através do trabalho realizado por Pereira (2009) alguns conceitos da TVRAA foram ajustados, principalmente o da “capacidade resistente ao dano”. Foi ainda desenvolvido um programa de cálculo automático, muito insipiente, que permitiu obter resultados válidos para redes de teste muito simples. Serviu de percursor de um novo programa de cálculo automático designado de TV-WPN (Varajão et al., 2012), este já com ambiente gráfico e com outras potencialidades de cálculo bem mais robustas.
Na investigação mais recente (Afonso, 2010) realizaram-se testes envolvendo a utilização sucessiva de todos os critérios de aglutinação, já que alguns deles nunca tinham sido utilizados. Além disso foi incorporado na TVRAA, o efeito das alterações hidráulicas ocorridas após um evento de dano, utilizando-se as teorias clássicas de dimensionamento e foram propostas medidas para mitigação desses danos.
2.2
Fundamentos teóricos (TVRAA)
O conceito de vulnerabilidade está associado, no contexto da TVRAA, à desproporcionalidade que pode existir entre uma ação e o dano resultante. Logo, quando uma pequena ação origina um elevado dano diz-se que o sistema é vulnerável (Pinto, et al., 2010 a)). Quanto maior for a discrepância entre a magnitude da ação e do dano resultante, mais sensível é o sistema a essa perturbação e, consequentemente, mais vulnerável.
No âmbito da TVRAA, as ações podem ser definidas como a causa para ocorrência de danos e de diferentes tipos: excesso de pressão, corrosão ou degradação do material da rede, elevado valor da velocidade de escoamento, erro humano na fase de projeto ou na fase de construção, vibrações impostas por passagem de veículos, sismos, assentamentos de terreno, atos de sabotagem, entre outros (Pereira, 2009). A probabilidade de ocorrência de uma determinada ação está diretamente relacionada com o risco de inoperabilidade da RAA, podendo a sua severidade ser avaliada pelo grau de inoperabilidade da RAA, nomeadamente pelo número de consumidores afetados.
2.2.1 Conceitos base
Figura 2.1 são apresentados esquemas ilustrando esses conceitos-base, transcritos de Bastos (2008) e de Afonso (2010).
Figura 2.1 – Esquematização do conceitos-base da TVRAA.
Nó é a intersecção de pelo menos dois troços, materializando a por: curvas (planta e/ou perfil); cones de redução, nas mudanças de diâmetro das tubagens; tês; forquilhas; cruzetas; entre outros. Os nós correspondem aos pontos extremos dum troço.
Troço de uma RAA é o conjunto de elementos efetuam a ligação entre dois nós. Num troço é considerado que as características de escoamento (caudal e velocidade), de instalação (diâmetro, tipo de material e inclinação) e do fluido (viscosidade e peso especifico), são constantes ao longo de todo o comprimento do mesmo. A não verificação desta condição dará origem a um novo troço e a um novo nó. Refere-se que, tratando-se de uma RAA, pode considerar-se que as características físicas do fluido são praticamente constantes, dada a pequena oscilação da sua temperatura para a escala temporal dos fenómenos em análise. Sub-RAA primitiva é constituída por um único troço e respetivos nós.
Sub-RAA é entendida como sendo um agrupamento de pelo menos dois troços consecutivos e respetivos nós.
Sub-RAA de referência é cada um dos reservatórios, que, por questões de simplificação se admite que não sofre qualquer tipo de dano.
Sub-RAA de origem entende-se como sendo toda a RAA, incluindo todas as sub-RAA de referência.
Anel da sub-RAA é a forma abstrata de representar uma RAA. O anel representado na Figura 2.1 é a forma mais simples de representação.
2.2.2 Qualidade de forma
A qualidade de forma é um parâmetro que permite avaliar a fiabilidade construtiva de uma sub-RAA em função de variáveis como: rigidez dos troços, tipo de união, orientação entre troços e quantidade de ligações, conforme se ilustra na Figura 2.2 (Bastos et al., 2009).
Figura 2.2 – Parâmetros que influenciam a qualidade de forma de uma RAA. Perda de Carga
Após uma análise exaustiva de todas as variáveis intervenientes no dimensionamento de uma RAA (Bastos, 2008) propôs-se a perda de carga ( ) como sendo aquela que melhor avalia a qualidade de forma de uma RAA. Assim, a quantificação da qualidade de forma de uma sub-RAA ou de uma RAA pode ser determinada através da equação seguinte. ∑ ∑ Equação (2.1) Em que:
– é a perda de carga localizada [ ]
– é o número de troços existentes na RAA ou na sub-RAA
– é o número de perdas de carga localizadas existentes na RAA ou na sub-RAA Assim, quanto menor for a soma das perdas de carga continuas e localizadas de uma RAA ou de uma sub-RAA melhor será a sua qualidade de forma (Duarte et al., 2010).
Capacidade resistente ao dano
A capacidade resistente ao dano é aqui aplicada, como sendo diretamente proporcional ao esforço requerido para a ocorrência de um dano na RAA ou na sub-RAA. Assim, entende-se que uma RAA ou sub-RAA que apresente uma elevada capacidade resistente ao dano requer um elevado esforço para que sofra dano, ou seja, é menos suscetível de se deteriorar quanto maior for o valor da sua capacidade resistente.
Bastos (2008) propôs que a capacidade resistente ao dano poderia ser quantificada pelo somatório da área da secção transversal dos troços que constituem uma RAA ou uma sub-RAA, como é mostrado de forma matemática pela Equação (2.2). Deste modo, quanto maior for a área da secção transversal, maior será a capacidade resistente ao dano.
∑ ∑ Equação (2.2) Em que:
– é a capacidade resistente ao dano
– é a área de círculo usando o diâmetro comercial do tubo [ ] – é a área de um circulo usando o diâmetro interno do tubo [ ] – é o diâmetro comercial do tubo [ ]
– é diâmetro interno do tubo [ ]
Todavia, este conceito apresentava algumas limitações: toda a RAA tinha de ser constituída pelo mesmo material e não eram consideradas as diferentes propriedades mecânicas dos materiais, isto é, apresentavam todos as mesmas características de resistência. Para se ultrapassar esta situação, Pereira (2009) recomendou que se quantificasse o valor da capacidade resistente ao dano pelo somatório da pressão nominal dos tubos que constituem a sub-RAA, como pode ser constatado pela Equação (2.3).
∑
Equação (2.3) Em que:
– é a capacidade resistente ao dano – é a pressão nominal do tubo [ ]
Tendo em conta que um dano possa ser uma obstrução, um desgaste do material ou a perda de qualidade da água, o conceito anterior ainda não é suficientemente amplo para a quantificação adequada da capacidade resistente ao dano. Fatores como o diâmetro, a velocidade de escoamento, o pH da água e a natureza do material deverão ser estudados em futuros desenvolvimentos da TVRAA.
Conexão nodal
A conexão nodal ( ) traduz a interligação que uma sub-RAA tem com a restante RAA ou
com as alternativas possíveis de abastecimento de água na zona da RAA relativa a essa sub-RAA. Representa também a capacidade que essa sub-RAA tem de formar anéis de RAA com outras sub-RAA (Bastos et al., 2009).
Pela forma de abordagem convencional, a conexão nodal é calculada pela soma simples do número de conexões que a sub-RAA tem. Para uma situação simples (Figura 2.3), a sub-RAA 1 é constituída pelo troço 1 e pelos nós 1 e 2, assim o valor da sua conexão nodal neste caso é igual a 5.
Figura 2.3 – RAA que exemplifica do cálculo da conexão nodal.
Ainda não foi desenvolvida nenhuma equação formal que traduza este conceito, contudo a Equação (2.4) faz uma introdução ao trabalho que pode ser realizado neste âmbito. Define-se este conceito como a soma do número de ligações que a sub-RAA apresenta através dos nós de montante e de jusante. Mas como a importância das ligações (de montante e de jusante) são distintas propõe-se a adoção de fatores de ponderação em cada
um dos termos. Note-se, que se deve fazer o estudo aprofundado destes fatores, uma vez, que, dependendo da situação e do local têm relevâncias diferentes.
Equação (2.4)
Em que:
– é a conexão nodal do trecho
– é um fator de ponderação do nó de montante
– é o número de ligações que a sub-RAA tem, através do nó de montante – é o fator de ponderação do nó de jusante
– é o número de ligações que a sub-RAA tem, através do nó de jusante Distância ao reservatório
A distância ao reservatório ( ) é a menor distância que a água tem que percorrer entre o reservatório e a sub-RAA em causa. A par da conexão nodal, não existe formulada qualquer expressão matemática para o cálculo deste parâmetro. Assim, é apresentada a Equação (2.5) de caracter preliminar.
( ∑ ) Equação (2.5) Em que: – é a distância ao reservatório [
– é o número total de percursos possíveis entre o reservatório e a sub-RAA – é o número do percurso
– é o número total de sub-RAA primitivas até ao reservatório num dado percurso – é o número da sub-RAA primitiva
– é o comprimento da sub-RAA primitiva , no percurso [
2.2.3 Cenários de dano
Um cenário de dano corresponde a uma sequência ordenada de eventos de dano. Um único evento de dano pode ser suficiente para provocar um cenário de dano, isto caso provoque a incapacidade de abastecimento em quantidade e qualidade para toda a sub-RAA ou sub-RAA. Quanto maior for a redundância e resiliência do sistema de abastecimento,
mais eventos de dano serão necessários para a ocorrência de um cenário de dano total da RAA.
Segundo Bastos (2008), de forma análoga ao que sucede na TVE, também na TVRAA são identificados e destacados certos cenários de dano, sendo que, numa fase inicial, foram identificados os seguintes:
Cenário de dano de colapso total – corresponde ao cenário de dano que promove a perda da totalidade de uma RAA, ficando a rede sem capacidade de abastecer água com qualidade a qualquer ponto. Caso exista mais do que um cenário de dano de colapso total , fica com esse título o que apresentar o maior valor de índice de vulnerabilidade .
Cenário de dano de máxima vulnerabilidade – cenário que apresenta maior desproporcionalidade entre a perda da RAA e o esforço requerido para o efeito, isto é, aquele que tem o maior índice de vulnerabilidade . Este cenário está intimamente ligado à zona mais vulnerável da RAA.
Cenário de mínima vulnerabilidade – ocorre na última sub-RAA primitiva selecionada no processo de aglutinação, ou seja, a que apresenta a melhor qualidade de forma. Este é o cenário de dano que conduz à menor perda de RAA. Cenário de menor esforço para haver dano – está associado ao troço da RAA que
apresente menor capacidade resistente ao dano , logo que necessite de menor esforço para que ocorra dano.
Cenário de interesse – qualquer cenário de interesse específico para o utilizador. De modo a ter em consideração a propagação do dano e o seu efeito, Afonso (2010) propos novos tipos de cenários de dano, mais ajustados à realidade, que são descritos de forma pormenorizada.
Cenário de dano vulnerável de colapso inicial – é composto unicamente por eventos de dano “trigger” que são independentes, ou seja, que não surgem um devido ao outro. Da ocorrência destes danos, advêm alterações nas condições hidráulicas da RAA, mas que não entram em incumprimento nem de pressão, nem de velocidade.
Cenário de dano vulnerável de colapso progressivo parcial – é um cenário de dano gradual, isto é, resulta de um evento “trigger” que desencadeia uma
dano inicial. O parcial encontra-se neste contexto, pois não existe perda da totalidade da RAA, ficando apenas uma sub-RAA incapacitada de desempenhar as suas funções.
Cenário de dano vulnerável de colapso progressivo total – é um cenário muito semelhante ao apresentado anteriormente. A única diferença consiste em que neste caso existe colapso total da rede. A RAA fica totalmente incapacitada de abastecer água, devido a um dado evento “trigger” que desencadeia uma sequência de outros danos, que levam à deterioração da totalidade da RAA.
Para melhor se perceber cada um destes cenários de dano vulneráveis, foram utlizados esquemas genéricos com escalas de ações, de eventos e de dano, respetivamente. De referir, que nesses gráficos foram considerados os caudais médios na definição dos eventos de dano, sendo que a utilização de caudais de ponta levaria a cenários de dano ainda mais gravosos.
A Figura 2.4 ilustra a cenário de dano vulnerável de colapso progressivo total, em que existe uma ação inicial , que corresponde ao evento “trigger” e que origina um dano inicial. Este desencadeia um conjunto de eventos de dano consequentes , que provocam um dano parcial na RAA. Isto, até ao evento final que provoca o colapso total da RAA.
Figura 2.4 – Cenário de dado vulnerável de colapso progressivo total. 2.2.4 Parâmetros de Vulnerabilidade
Os parâmetros de vulnerabilidade traduzem quantitativamente o nível de suscetibilidade de uma RAA a determinados cenários de dano. Através deles é possível prever o efeito e as consequências dos referidos cenários na RAA.
Capacidade resistente ao dano relativa
A capacidade resistente ao dano relativa, como o próprio nome indica, é a relação entre a capacidade resistente da sub-RAA a um determinado dano e a capacidade de resistência ao dano máxima de toda a RAA (Equação (2.6)).
Equação (2.6)
Em que:
– é a capacidade resistente ao dano relativa; – é a capacidade resistente ao dano
– é a capacidade resistente ao dano para a ocorrência do dano total da RAA
Perda de rede
A perda de rede traduz numericamente a parte de uma RAA que fica inoperável devido à ocorrência de um determinado cenário de dano e foi proposta a Equação (2.7) para a sua quantificação (Bastos, et al., 2009).
Equação (2.7)
Em que:
– é a perda de rede
– é a perda de carga das sub-RAA que ficam inutilizadas [ ] – é a perda de carga total de toda a RAA [ ]
Quando , ou seja, a RAA está completamente inoperável e não é possível realizar o abastecimento em qualquer ponto de distribuição.
Índice de Vulnerabilidade
O índice de vulnerabilidade permite avaliar a vulnerabilidade de uma RAA ou de uma sub-RAA. Corresponde à desproporção existente entre a perda de rede e a capacidade resistente ao dano relativa, assim é um parâmetro adimensional e é quantificado pela Equação (2.8).
Equação (2.8)
– é a perda de rede
– é a capacidade resistente ao dano relativa
Um elevado valor deste índice, relativo a um determinado cenário de dano, representa que a RAA é vulnerável em relação a esse cenário de dano, pois o valor do esforço necessário para a ocorrência de dano é desproporcional à parte da RAA que fica inoperacional (Pinto, et al., 2010 a)).
2.2.5 Quantificação do risco de danos vulneráveis
Ao longo dos anos a palavra “risco” foi definida de forma diferente, como consequência de estar associada a diferentes áreas de estudo. Contudo, na sua definição, surgem sempre as designações de probabilidade, de perigo, de vulnerabilidade e de exposição. Desta forma, este conceito pode ser definido como a possibilidade de ocorrência (probabilidade) de um determinado evento, que é função da sensibilidade do sistema (vulnerabilidade) e do nível de exposição desse mesmo sistema a uma situação de dano (perigo) e as consequências que podem advir desse evento de dano, num determinado contexto. A Equação (2.9) descreve analiticamente o que foi referido.
Equação (2.9)
Em que:
– é o risco inerente num determinado contexto – é a probabilidade de ocorrência de um evento
– é a consequência do evento
Segundo Duarte et al. (2010) no contexto da TVRAA, a quantificação do risco associado aos cenários de dano passíveis de ocorrer numa RAA é realizada através da Equação (2.10).
Equação (2.10)
Em que:
– é o risco associado à ocorrência de um cenário de dano
– é a probabilidade de ocorrência de um cenário de dano vulnerável
– é a consequência em termos de funcionamento da RAA resultante da ocorrência desse cenário
2.3
Etapas de aplicação prática
A aplicação da TVRAA até à identificação dos cenários de dano é realizada em três etapas, em conformidade com a aplicação da teoria da vulnerabilidade estrutural (Bastos, 2008). As referidas etapas são: o processo de aglutinação, a formação do modelo hierárquico e o processo de desaglutinação.
O processo de aglutinação é um processo seletivo e iterativo através do qual uma RAA vai sendo progressivamente agrupada. Esta aglutinação é processada tendo em conta diferentes aspetos, dos quais se destaca a qualidade de forma da RAA (Pinto et al., 2011). Para tal, recorre a cinco critérios de seleção que serão descritos mais a frente neste documento.
O modelo hierárquico pode ser definido como uma representação abstrata da RAA, que se encontra rearranjada em termos de forma. A formação do modelo hierárquico advém da informação obtida pelo processo de aglutinação precedente e é fundamental para a realização do processo de desaglutinação.
Os cenários de dano vulneráveis numa RAA são identificados através do processo de desaglutinação do modelo hierárquico. Este é realizado segundo sete critérios de desaglutinação, que também estes serão descritos mais à frente.
2.3.1 Processo de aglutinação da TVRAA
A par do que foi anteriormente salientado, o processo de aglutinação visa juntar progressivamente todas as sub-RAA primitivas até que a totalidade da RAA, incluindo a sub-RAA de referência, fique completamente aglutinada e representada abstratamente por um único anel (Pinto et al., 2011). A seleção dos candidatos de sub-RAA a serem aglutinados entre si recorre a cinco critérios, que são os seguintes por ordem de importância:
i. Menor perda de carga total – é o primeiro critério de seleção a ser aplicado. A qualidade de forma de uma RAA é avaliada, segundo a presente teoria, pela perda de carga total. Deste modo, do conjunto de sub-RAA candidatas a ser aglutinadas, deve selecionar-se aquele que apresente menor perda de carga, ou seja, a sub-RAA que apresenta melhor qualidade de forma. Quando este critério não for suficiente para selecionar a candidata a aglutinar,
e isto acontece quando pelo menos duas sub-RAA apresentam a mesma perda de carga, utiliza-se o segundo critério (alínea b).
ii. Máxima capacidade resistente ao dano – é o segundo critério de seleção do processo de aglutinação. Esta grandeza permite, também ela, avaliar a qualidade de forma de uma RAA ou de uma sub-RAA. Quanto maior o seu valor, menos suscetível está a RAA ou a sub-RAA de deteriorar-se. Deste modo, seleciona-se a candidata que apresentar maior capacidade resistente ao dano. Quando este critério é insuficiente recorre-se ao critério seguinte (alínea c).
iii. Máxima conexão nodal – é o terceiro critério de seleção, só sendo aplicado quando nenhum dos anteriores for suficiente para definir a sub-RAA a selecionar. A escolha recai sobre a candidata que apresentar maior valor de conexão nodal, ou seja, aquela que apresenta mais interligações com a restante RAA. Quando este critério não esclarece qual a sub-RAA a eleger passa-se para o quarto critério (alínea d).
iv. Máxima distância ao reservatório – é o quarto critério de escolha. Segundo Bastos (2008), quanto mais afastada uma RAA estiver da sub-RAA de referência correspondente, menor é a sua vulnerabilidade. O facto de estar mais próximo do sub-RAA de referência pode ser favorável à situação de que um pequeno dano na RAA provoca uma grande perda de rede. Assim, o penúltimo critério de seleção consiste em escolher os candidatos que, quando aglutinados entre si, apresentam a maior distância ao reservatório. Quando este critério não for suficiente utiliza-se o último (alínea e).
v. Escolha Livre – é o quinto e último critério de seleção, aplica-se quando nenhum dos critérios anteriores for suficiente para escolher a sub-RAA a aglutinar. Quando pelo menos duas sub-RAA apresentam características iguais é necessário utilizar-se este critério, que consiste numa seleção aleatória da candidata. Note-se que a ocorrência desta situação é bastante incomum, pelo que é muito pouco frequente o recurso a este critério.
2.3.2 Formação do modelo hierárquico
A representação do modelo hierárquico na TVE e como consequência na TVRAA foi baseado em modelos hierárquicos biológicos (Pinto et al., 2010), como exemplos os processos de espermatogénese e oogénese (Afonso, 2010).
O modelo hierárquico é formado a partir do conhecimento adquirido sobre a RAA no processo de aglutinação. Corresponde à representação abstrata da RAA onde todas as sub-RAA se encontram dispostas em termos de qualidade de forma. A Figura 2.5 foi adotada de Bastos et al. (2009), e é um exemplo de um modelo hierárquico de uma RAA.
Figura 2.5 – Modelo hierárquico de uma RAA
Neste modelo é percetível que as sub-RAA primitivas são representadas esquematicamente por círculos cinzentos e a sub-RAA de referência está reproduzida através de um retângulo cinzento. As sub-RAA restantes (conjunto de pelo menos duas sub-RAA primitivas), resultantes do processo de aglutinação, são apresentadas por círculos, desta feita, brancos. Cada uma destas sub-RAA tem associado o respetivo anel de RAA com a indicação do critério de seleção aplicado.
A interpretação do modelo hierárquico da RAA deve ser realizada de baixo para cima. Isto porque, as sub-RAA situadas na zona inferior são as primeiras a serem selecionadas no processo de aglutinação, ao contrário da sub-RAA do topo que é a última selecionada. No contexto da TVRAA, um anel de uma RAA pode ser definido como sendo aberto ou
em sub-RAA ou em RAA ramificadas, isto é, abastecidas por único nó. Nesta situação, o risco de incapacidade de abastecimento do sistema é maior porque um possível dano traria consequências severas para jusante, implicando mesmo a inoperabilidade da RAA. Por sua vez, o anel fechado é tipicamente a representação de uma sub-RAA ou de uma RAA emalhada (fechada sobre si mesma) ou redundante, em que a sub-RAA ou a RAA é abastecida por mais de um nó, sendo o sistema, nesse caso, mais resiliente e com menor risco associado.
Figura 2.6 – Tipos de anéis de uma RAA
O modelo hierárquico permite reduzir significativamente o número de cenários de dano, pois apenas as situações mais críticas são detetadas. A Equação (2.11) permite quantificar o número total de cenários de dano possíveis que corresponde ao número de sub-RAA que se formam no processo de aglutinação menos um.
∑ ∑ [ ] Equação (2.11) Em que: – é o número de troços;
– é a quantidade de arranjos simples de troços, a . 2.3.3 Processo de desaglutinação
O processo de desaglutinação é a última etapa da aplicação da TVRAA e usa o modelo hierárquico de uma RAA como base na definição dos cenários de dano vulneráveis dessa RAA. Este processo ocorre no sentido descendente. Inicia-se, portanto, no topo superior do modelo e percorre sequencialmente todos os anéis da RAA, procurando um possível evento de dano. Este processo é realizado com base em sete critérios, os que são seguidamente apresentados pela sua ordem de importância:
ii. Selecionar a sub-RAA que está ligada diretamente à sub-RAA de referência ;
iii. Selecionar uma sub-RAA primitiva em detrimento de uma sub-RAA ;
iv. Selecionar uma sub-RAA que apresenta maior valor de perda de carga total
;
v. Selecionar uma sub-RAA que tem o menor valor de capacidade resistente ao
dano ;
vi. Selecionar uma sub-RAA que foi aglutinada posteriormente ;
vii. Escolha livre .
Quando um evento de dano numa RAA é identificado através deste processo, é necessário verificar se a sub-RAA ou a RAA em análise continua com capacidade de abastecer a comunidade em quantidade e qualidade suficiente. Caso se verifique, é necessário apurar as implicações que o evento de dano provoca nas condições hidráulicas da RAA, visto que existe uma redistribuição de caudais, que por sua vez altera as condições de pressão e de velocidade nas tubagens. Afonso (2010) propôs que se as novas condições não se encontrarem dentro de um determinado intervalo de valores limite de pressão e velocidade, existirá um evento de dano consequente na sub-RAA primitiva incumpridora. A velocidade de escoamento deve encontrar-se entre o valor mínimo de e o valor máximo, dado pela Equação (2.12).
Equação (2.12)
Em que:
é a velocidade máxima de escoamento
é o diâmetro do tubo [ ].
As pressões dentro do tubo devem estar compreendidas entre um valor mínimo de e o valor de serviço do tubo, sendo este dado pelo fabricante do mesmo. Se o sistema for suficientemente resiliente para que as condições permaneçam dentro dos limites impostos, é necessário procurar outros eventos de dano independentes do primeiro. Este processo é repetitivo até que a sub-RAA ou a RAA deixem de ter capacidade de abastecer em boas condições. Quando tal sucede, é, então, identificado um cenário de dano vulnerável da RAA, relativo a uma sequência ordenada dos eventos de dano detetados. O processo de desaglutinação continua até que todas as sub-RAA
definidas no processo de aglutinação (círculos brancos da Figura 2.5) sejam desaglutinadas (Pinto et al., 2010 a)).
Neste ponto de desenvolvimento da TVRAA, por simplificação, a sub-RAA de referência não apresenta qualquer risco para o funcionamento da RAA, visto que se considera que não é passível de sofrer qualquer tipo de dano (Bentes et al., 2011). No entanto, é previsível que, caso ocorra numa situação real, toda a RAA para jusante fique inoperável. A perda de rede seria total e poderia, desta forma, ter repercussões gravíssimas para a população caso o tipo de dano fosse a contaminação da água ou deterioração acentuada da sua qualidade.
2.3.4 Mapeamento da vulnerabilidade de RAA
O mapeamento da vulnerabilidade de uma RAA poderá ser um elemento de grande importância para a gestão deste tipo de sistemas, principalmente em RAA complexas, pois permite identificar de forma simples e direta as zonas mais vulneráveis dessa RAA. A metodologia desenvolvida por Afonso (2010) recorre a uma escala relativa de vulnerabilidade, que consiste em colorir a RAA em função dos diferentes níveis de vulnerabilidade: “Muito vulnerável”, “Vulnerável” e “Pouco vulnerável”.. A escala é relativa, pois os valores do índice de vulnerabilidade resultantes da TVRAA são específicos de uma determinada RAA, não estando prevista a sua utilização na comparação da vulnerabilidade entre RAA diferentes (Pinto et al., 2011).
Os extremos da escala são os índices de vulnerabilidade mínima e máxima da RAA, respetivamente, que são obtidos através dos cenários de dano vulneráveis identificados pela aplicação TVRAA. A diferença entre o maior índice e o menor designa-se de intervalo de vulnerabilidade (Figura 2.7). Este intervalo encontra-se dividido em três sub-intervalos iguais que correspondem a cada um dos graus de vulnerabilidade definidos.
A Figura 2.8 apresenta um exemplo do mapeamento de uma RAA fictícia (Afonso, 2010).
Figura 2.8 – Mapeamento da vulnerabilidade de uma RAA.
2.4
Programa de Cálculo Automático - TV-WPN
Na aplicação da TVRAA são utilizados processos iterativos, quer na fase de aglutinação, quer na de desaglutinação das sub-RAA, como já foi referido anteriormente. Desta forma, a aplicação manual da TVRAA a casos reais é praticamente inviável. Isto, devido às dimensões e complexidades das RAA em geral, que conduziria à necessidade de um período de cálculo muito alargado.
De modo a ultrapassar este problema, foi desenvolvido por Pereira (2009) um programa de cálculo automático em linguagem C designado de Vulnerabilidade de Redes
Hidráulicas de Abastecimento de Água (VRHAA), na tentativa de tornar, assim, a TVRAA uma ferramenta de trabalho mais expedita.
Contudo, esse software apresentava algumas limitações, principalmente ao nível do ambiente gráfico e de velocidade de processamento. Assim, foi oportuno o desenvolvimento de um novo programa de cálculo automático com outras potencialidades, chamado de Theory of Vulnerability - Water Pipe Network (TV-WPN). A TV-WPN é uma aplicação Web, atualmente na versão 1.9 Beta, cujo acesso é gratuito e para o seu desenvolvimento foram usadas linguagens PHP, HTML, Javascript e CSS, sendo o ambiente de execução um servidor Web Apache em sistema operativo Linux (Varajão et al., 2012). Este programa de cálculo automático encontra-se disponível para trabalho online no website: http://www.sciencesphere.org/tvwpn/index.php?p=0. As principais vantagens desta aplicação quando comparando com VRHAA são a introdução de um ambiente gráfico e a possibilidade de acompanhar todo o processo de cálculo inerente à TVRAA.
No entanto, ambos os programas apresentam um estrutura muito semelhante, Figura 2.9. Existe um bloco referente à introdução de dados (Intup), onde é da responsabilidade do utilizador definir os parâmetros da RAA, um bloco preliminar de cálculo, no qual são determinados os parâmetros de qualidade de forma da RAA, nomeadamente a perda de carga , a capacidade resistente ao dano , a conexão nodal e a distância a reservatório , um bloco relativo ao processo de aglutinação, outro referente ao processo de desmembramento do modelo hierárquico e, por fim, um bloco de saída dos resultados (Output). Aqui estão identificados os cenários de dano detetados, respetivos os parâmetros de vulnerabilidade e, adicionalmente, são identificados os cenários de máxima vulnerabilidade e de colapso total (Varajão et al., 2012).
Figura 2.9 – Fluxograma do programa TV-WPN.
Na Figura 2.10 é apresentado o ambiente de trabalho do TV-WPN. Na parte superior da página Web referente ao TV-WPN são exibidos 7 separadores. O primeiro separador – “Home” – é a página de apresentação do programa; no segundo separador – “Theory” – é exibido uma breve introdução à TVRAA com a referência aos principais conceitos e processos; no terceiro separador – “Demos” – são apresentados dois exemplos de aplicação, com a representação dos diversos processos e resultados; no quarto separador – “Application” – é o local onde se realiza a aplicação da TVRAA propriamente dita e onde são exibidos os resultados; no quinto separador – “Publications” – são apresentados os
principais artigos publicados referentes à TVRAA e ao TV-WPN; no sexto separador –
“Team” – são citados alguns dos elementos da equipa de investigadores que
possível enviar um email para o esclarecimento de qualquer duvida sobre o programa ou mesmo sobre a TVRAA, mediante identificação e contacto do utilizador.
Segundo Varajão et al. (2012), nas próximas versões do TV-WPN está prevista a incorporação da representação gráfica de diversos elementos do processo de cálculo, como a definição da RAA ou o faseamento de cálculo do processo de desaglutinação. Afonso (2010) recomendou a interação do TV-WPN com softwares de dimensionamento e simulação hidráulica de forma a tornar este programa uma ferramenta ainda mais expedita e mais capaz de corresponder às necessidades dos utilizadores.
Figura 2.10 – Página Web de apresentação do TV-WPN.
2.5
Avaliação do desempenho hidráulico de RAA reais através de
programas de cálculo automático.
As infraestruturas de distribuição de água encontram-se comumente enterradas. Tal facto, apenas possibilita que parte diminuta da rede possa ser inspecionada convenientemente. Atualmente, embora existam aparelhos que permitam monitorizar a rede com relativa segurança em termos hidráulicos (pressão, caudal e velocidade) e em termos de qualidade da água, são ainda insuficientes para abranger toda a rede ao nível espacial e temporal. A maior parte das vezes, a ocorrência de qualquer tipo de evento só é detetada através de sintomas exteriores, tais como a falta de pressão, a falta de água, elevados volumes de
