Relatório Técnico Projeto Hidráulico Sistema de Abastecimento de Água Loteamento

Relatório Técnico SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA PROJETO HIDRÁULICO APRESENTAÇÃO Este documento é constituído pelo Projeto Hidráulico Executivo do Sistema de Abastecimento de Água do loteamento XXXXXXXXXXXX localizado no Município de XXXXXXXXXXXXXXES Sumário 1 Introdução4 2 Dados e Parâmetros de Projeto5 21 Critérios e Parâmetros Adotados5 22 População de Projeto5 23 Vazão Per Capita de Consumo de Água5 24 Vazão de Projeto5 1 INTRODUÇÃO 2 DADOS E PARÂMETROS DE PROJETO 21 Critérios e Parâmetros Adotados Com base nas condições locais e nas orientações técnicas em vigor foram adotados os seguintes parâmetros para o dimensionamento da rede de abastecimento de água tratada Diâmetro Mínimo das Tubulações 50 mm PVC NBR 56471 Coeficiente de rugosidade Manning n 0013 Coeficientes do dia e hora de maior consumo Coeficiente do dia de maior consumo 120 Coeficiente da hora de maior consumo 150 Recobrimento da rede de água 060 m A rede de abastecimento de água foi projetada para ser implantada sob o passeio tendo em vista as seguintes considerações 1 Largura do passeio de 20 m 2 Intervenções na rede sob o passeio não exige quebra do pavimento para a manutenção 3 O rompimento de uma rede ou vazamento sob o passeio não compromete a base do pavimento da pista de rolamento 22 População de Projeto O Loteamento objeto deste Projeto será implantado em etapa única Tendo em vista que o Empreendimento consiste na implantação de XXXXXX lotes e admitindose a ocupação de XXXX habitantes por unidade a População de Projeto será de XXXXXXX Habitantes 23 Vazão Per Capita de Consumo de Água O consumo per capita de água adotado para o presente projeto foi de XXX litros por Habitante por dia 24 Vazão de Projeto Conforme recomendações de normativas a vazão da rede de distribuição deve ser igual à vazão máxima horária para final de plano Na qual vazão da rede de distribuição de água vazão máxima horária população no ano n de referência consumo per capita Coeficiente do dia de maior consumo Coeficiente da hora de maior consumo Tabela 1 Estimativa de Demanda de Água Ocupação Taxa de Ocupação População Total hab Vazão média Ls Vazão máxima diária Ls Vazão máxima horária Ls Loteamento A Tabela 2 apresenta os dados e parâmetros utilizados no dimensionamento da rede de distribuição de água tratada do Loteamento Tabela 2 Dados e Parâmetros de Projeto Parâmetro Valor Unidade Vazão da rede de distribuição de água XX Ls Período de Funcionamento do Sistema 24 horas Extensão Rede 4455 m Coeficiente Rugosidade 140 Relatório Técnico SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA PROJETO HIDRÁULICO APRESENTAÇÃO Este documento é constituído pelo Projeto Hidráulico Executivo do Sistema de Abastecimento de Água do loteamento XXXXXXXXXXXX localizado no Município de XXXXXXXXXXXXXXES Sumário ADAPTAR 1 Introdução4 2 Dados e Parâmetros de Projeto7 21 Critérios e Parâmetros Adotados7 22 População de Projeto7 23 Vazão Per Capita de Consumo de Água8 24 Vazão de Projeto8 3 DIMENSIONAMENTO DO RESERVATÓRIO DE DISTRIBUIÇÃO10 31 DEFINIÇÃO DE RESERVATÓRIO DE DISTRIBUIÇÃO10 32 TIPOS DE RESERVATÓRIOS DE DISTRIBUIÇÃO10 33 BREVES COMENTÁRIOS SOBRES AS CARACTERÍSTICAS DOS RESERVATÓRIOS DE DISTRIBUIÇÃO11 34 CÁLCULOS PARA O DIMENSIONAMENTO DO RESERVATÓRIO DO PROJETO13 4 DIMENSIONAMENTO DA REDE PELO MÉTODO LENHSNET20 41 O PROGRAMA EPANET20 411 DEFINIÇÃO DO EPANET21 412 CARACTERÍSTICAS DA MODELAGEM HIDRÁULICA23 413 PASSOS SEGUIDOS NA UTILIZAÇÃO DO PROGRAMA23 42 O MÉTODO LENHSNET24 421 METODOLOGIA24 422 SIMULAÇÃO DE CONTORNO COM A COTA PIEZOMÉTRICA DE ORIGEM FIXA 28 423 DIMENSIONAMENTO DA REDE DE DISTRIBUIÇÃO DO PROJETO DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA PELO LENHSNET30 5 REFERÊNCIAS40 1 INTRODUÇÃO Conforme o que afirma Gomes 2009 os sistemas de abastecimento urbano de água são compostos de maneira geral pelas unidades de captação tratamento estação elevatória adução reservatórios rede de distribuição e ligações prediais A captação é a unidade do sistema que retira a água do manancial em quantidade suficiente e necessária para atender ao consumo dos usuários Através do tratamento procedese a eliminação de impurezas eou a redução de algumas substâncias que tornam a água inadequada para o uso humano tais como bactérias patogênicas turbidez cor odor sabor dureza corrosividade ferro manganês e sais minerais O autor afirma que o transporte de água pode ocorrer por gravidade por recalque através de estação elevatória ou de ambas as maneiras Os sistemas que funcionam por gravidade possuem a vantagem de não necessitarem do uso de energia para impulsionar a água O transporte de água entre o manancial a unidade de tratamento e os reservatórios é realizado através de linhas adutoras que conduzem a água por recalque eou gravidade dependendo das cotas e das distâncias entre os elementos A rede de distribuição objeto primordial desse projeto nesse sentido é o conjunto de tubulações conexões e peças especiais destinada a conduzir a água em quantidade qualidade e pressão suficientes para o abastecimento dos diversos pontos de consumo uso doméstico industrial e público As interligações entre as tubulações da rede de distribuição ao interior dos estabelecimentos consumidores de água casas edifícios prédios comerciais fábricas hospitais etc são realizadas mediante as ligações prediais Gomes 2009 aponta que para a elaboração de um projeto de abastecimento de água é necessário dispor inicialmente de um conjunto de dados com relação à quantidade de água requerida pelo sistema disponibilidade hídrica da região às restrições hidráulicas do abastecimento de água e à topologia do sistema O projeto de engenharia deverá ser elaborado 4 buscandose alcançar uma maior racionalidade econômica em termos de minimização dos custos de investimento e operação levandose em conta as restrições com relação aos possíveis impactos ambientais A operação de sistemas de abastecimento de água potável composto pelas obras de captação adução tratamento estações de bombeamento redes de distribuição reservatórios e dispositivos de controle ainda segundo o autor compreende um conjunto de ações necessárias à distribuição de água aos pontos de consumo com boa qualidade e em quantidade suficiente Esta operação constitui na principal ação de gestão das empresas de saneamento influenciando diretamente na qualidade do sistema de abastecimento em termos sanitários ambientais econômicos e sociais Gomes 2009 afirma que a água a ser distribuída pelo sistema após haver sido tratada pela Estação de Tratamento de Água ETA poderá se deteriorar dentro da rede de abastecimento e poderá comprometer em menor ou maior escala a qualidade do líquido que chega ao consumidor A água proveniente da ETA poderá reagir com matéria orgânica ao longo do seu escoamento na rede com materiais liberados pelas paredes das tubulações dentro de reservatórios de regulação com água proveniente de outros pontos de distribuição e com elementos distintos que poderão adentrar no sistema pelos pontos de vazamento da rede A maior ou menor quantidade de água requerida pelos sistemas de abastecimento as perdas reais e os transtornos causados pelas possíveis avarias nas tubulações são aspectos que estão relacionados ao meio ambiente Um sistema de abastecimento com uma gestão adequada da sua demanda poderá diminuir a vazão requerida e consequentemente contribuir para a preservação de seus mananciais As perdas reais de água que inevitavelmente ocorrem em todas as redes e em todos os lugares podem ser minoradas preservando a água elementos químicos utilizados no seu tratamento e a energia necessária à pressurização dos sistemas Para as empresas de saneamento segundo Gomes 2009 o custo de operação de seus sistemas de abastecimento é um dos mais significativos 5 principalmente devido às despesas com a energia requerida nos bombeamentos A importância da energia consumida pelos bombeamentos é extremamente importante e representa uma parcela considerável na demanda energética em todas as regiões do mundo O custo da energia repercute de forma considerável no custo da água potável cobrada aos consumidores É cada vez maior a necessidade de redução da energia consumida pelas elevatórias das empresas de saneamento com o objetivo de diminuir seus custos operacionais A maior ou menor qualidade da operação de um sistema de abastecimento de água está diretamente ligada a sua eficiência refletida pela qualidade do serviço prestado e pela racionalidade do uso da água e da energia A eficiência do serviço pode ser mensurada pela adequação das vazões e pressões disponíveis aos pontos de consumo pela garantia da água potável fornecida ao consumidor pela intermitência ou não do abastecimento pelos níveis de perdas de água e pelo uso racional da energia 6 2 DADOS E PARÂMETROS DE PROJETO 21 Critérios e Parâmetros Adotados Com base nas condições locais e nas orientações técnicas em vigor foram adotados os seguintes parâmetros para o dimensionamento da rede de abastecimento de água tratada Diâmetro Mínimo das Tubulações 50 mm PVC NBR 56471 Coeficiente de rugosidade Manning n 0013 Coeficientes do dia e hora de maior consumo K 1 Coeficiente do dia de maior consumo 120 K 2 Coeficiente da hora de maior consumo 150 Recobrimento da rede de água 060 m A rede de abastecimento de água foi projetada para ser implantada sob o passeio tendo em vista as seguintes considerações 1 Largura do passeio de 20 m 2 Intervenções na rede sob o passeio não exige quebra do pavimento para a manutenção 3 O rompimento de uma rede ou vazamento sob o passeio não compromete a base do pavimento da pista de rolamento 22 População de Projeto O Loteamento objeto deste Projeto será implantado em etapa única Seguem abaixo os dados básicos para confecção do projeto 7 POPULAÇAO FUTURA 19170 hab POPULAÇAO DO CONDOMINIO VERTICAL 600 hab CONSUMO PER CAPITA 130 lhabdia NUMERO FUTURO DE LEITOS 350 CONSUMO DO HOSPITAL 240 lleitodia COEFICIENTE C C 140 COMPRIMENTO DA REDE L 365208 m 23 Vazão Per Capita de Consumo de Água O consumo per capita de água adotado para o presente projeto foi de 130 litros por Habitante por dia 24 Vazão de Projeto Conforme recomendações de normativas a vazão da rede de distribuição deve ser igual à vazão máxima horária para final de plano QDistQmáxx QmáxxK 1K 2Pnqc Na qual QDist vazão da rede de distribuição de água Qmáxx vazão máxima horária Pn população no ano n de referência qc consumo per capita K 1 Coeficiente do dia de maior consumo K 2 Coeficiente da hora de maior consumo 8 9 3 DIMENSIONAMENTO DO RESERVATÓRIO DE DISTRIBUIÇÃO 31 DEFINIÇÃO DE RESERVATÓRIO DE DISTRIBUIÇÃO São estruturas que fazem parte de um sistema de distribuição de água e que tem como objetivos principais i a regularização entre as vazões de adução e de distribuição ii o condicionamento das pressões na rede de distribuição além de quando necessário iii a reserva de combate a incêndio e outras situações emergenciais 32 TIPOS DE RESERVATÓRIOS DE DISTRIBUIÇÃO Podem ser classificados quanto às localizações no sistema de abastecimento e no terreno quanto à forma e o material de construção Quanto à localização no sistema as unidades de reservação podem ser instaladas a montante ou a jusante da rede de distribuição Os reservatórios de montante sempre fornecem água à rede e consistem na alternativa mais extensivamente utilizada nos sistemas de abastecimento segundo Heller e Pádua 2010 De modo alternativo as unidades de reservação podem ser instaladas a jusante da rede de distribuição fornecendo ou recebendo água respectivamente nos períodos de maior ou menor demanda No que se refere à localização no terreno os reservatórios podem ser elevados apoiados semienterrados Os reservatórios elevados apresentam fundo em cota superior à do terreno usualmente de menores dimensões e objetivam primordialmente condicionar as pressões dinâmicas nas áreas de maior cota topográfica Os enterrados são construídos abaixo da cota do terreno e salvo em cidades montanhosas estão associados a unidades elevadas respondendo pela maior parte do volume de reservação do sistema Os semienterrados são aquelas no qual pelo menos um terço da altura está 10 abaixo da cota do terreno e os apoiados aqueles nos quais menos de um terço da altura está abaixo do nível do solo 33 BREVES COMENTÁRIOS SOBRES AS CARACTERÍSTICAS DOS RESERVATÓRIOS DE DISTRIBUIÇÃO Forma dos reservatórios Para os tipos enterrados semienterrados e apoiados há uma ampla variedade de formas destacandose as circulares e retangulares Sendo que para um mesmo volume as circulares irão apresentar menor comprimento das paredes e as retangulares favorecem a modulação do volume de reservação para implantação em etapas conforme Heller e Pádua 2010 Material de Construção Embora muitos materiais possam ser empregados na construção de reservatórios aqueles de maior porte são usualmente construídos de concreto armado e menos frequentemente aço alvenaria estrutural e concreto protendido Os reservatórios de menor porte são também construídos em argamassa armada fibra de vidro aço e madeira Volume de reservação Constituise na soma dos volumes úteis de todas as unidades de uma determinada zona de pressão ou do sistema de abastecimento como um todo O volume útil de cada unidade referese àquele compreendido entre os níveis máximo e mínimo do reservatório Estes níveis correspondem respectivamente ao maior nível passível de ser atingido em condições normais de operação e à lâmina dágua mínima para evitar vórtices cavitação ou arraste dos sedimentos depositados no fundo da unidade A determinação do volume de reservação deve se basear no consumo da comunidade abastecida e na adução da água tratada 11 Tubulação de entrada Com o intuito de minimizar as variações da altura manométrica nas aduções por recalque a tubulação de entrada no reservatório usualmente efetuase com descarga livre acima do nível dágua máximo de operação O dimensionamento da tubulação de entrada do reservatório realizase limitando sua velocidade ao dobro da velocidade da adutora que o alimenta Tubulação Saída É dimensionada para a vazão de distribuição cuja velocidade média deve ser menor que uma vez e meia a velocidade média na rede de distribuição imediatamente a jusante do reservatório Em reservatórios de jusante utilizase a mesma tubulação para entrada e saída do reservatório neste caso a vazão transportada pode ser a do dia de maior consumo durante a alimentação do reservatório ou a diferença entre a vazão da hora e do dia de maior consumo quando o reservatório abastece a rede de distribuição Descarga de fundo Para o pleno esgotamento da unidade de reservação devese prever a instalação de descarga de fundo em cota inferior à da tubulação de saída Recomendase diâmetro mínimo de 150 mm Extravasor Este órgão acessório funciona à descarga livre permitindo detecção de extravasamentos e é dimensionado para a vazão máxima afluente devendo ser conectado a uma tubulação vertical para descarte em uma caixa e posterior escoamento por conduto livre à rede de drenagem ou corpo receptor Ventilação A variação abrupta do nível de água no interior do reservatório tanto no enchimento quanto o esvaziamento pode suscitar esforços na cobertura da unidade devido à variação da pressão interna Pra minimizar esse efeito a 12 unidade deve possuir ventilação protegida com telas e com cobertura para evitar a entrada de água da chuva e poeira A vazão de ar de dimensionamento deverá ser igual à vazão de distribuição no dia e hora de maior consumo acarretando para as unidades de maior porte a instalação de diversos dispositivos de ventilação A área de seção desses dispositivos deve se basear na velocidade de 15 ms de ar 34 CÁLCULOS PARA O DIMENSIONAMENTO DO RESERVATÓRIO DO PROJETO O dimensionamento do reservatório foi efetuado segundo observado o livro Abastecimento de Água para Consumo Humano Heller e Pádua 2010 Vazão média Qmédio Pq 864001858634 hab135 Lhabdia280leitos200 Lleitodia 86400 s dia 297 Ls Vazão do dia de maior consumo Q DCk 1Qmédio122973564 L s Vazão da hora de maior consumo Q HCk1k 2Qmédio12152975346 Ls Cálculo do volume de reservação V1 3 Q DC864003564 3 864001026432L1026432m 3 Dimensões do reservatório Utilizando a forma retangular para o reservatório e altura de lâmina de 35 m conforme o quadro abaixo temse para a área do reservatório 13 Tabela 01 Heller e Pádua 2010 Volume Altura da lâmina dágua m Até 3500 25 a 35 3500 a 15000 35 a 50 Acima de 15000 5 a 70 A1026432 35 29327m 2 Para calcular as dimensões laterais vai ser utilizado o critério econômico de xy34 e a divisão interna em dois compartimentos iguais Para cada compartimento do reservatório temos x y29327 2 146635m 2 E assim x y 3 4 x3 4 y Daí 3 4 y y146635 Obtémse finalmente y14 m x11m eh35m Dimensionamento das tubulações Adutora de recalque Q DC3582 L s 14 DrK Q DC Dr10003582020m Dradotado020m U adutora003582 π 02 2 4 114 ms Tubulação de entrada às câmaras Q DC3564 Ls Critério U entrada2U adutora U entrada2114m s U entrada228ms Pela equação da continuidade QAU 003564π D 2 4 228 D0141m Dadotado0150m Tubulação de saída das câmaras Q HC5346 Ls Critério U saída15U rede Supondo que o diâmetro da rede de distribuição ligada à saída do reservatório seja de 300mm teremos 15 U redeQ HC A Q HC π D 2 4 0756m s Usaída150756134 ms Caso o diâmetro da tubulação de saída seja 250mm U saída127 m s Que satisfaz a condição mencionada e portanto será adotado como diâmetro da tubulação de saída Descarga de fundo Cálculo do tempo de esvaziamento t 2 Ah CdS2g t214663535 CdS298 Para os diâmetros de 100 150 e 200mm temse Tabela 02 Diâmetro mm S m2 Tempo h 100 00079 714 150 0018 3135 200 0031 182 Adotando a recomendação de tempo inferior a 6h o diâmetro escolhido para a tubulação é 150 mm 16 Extravasor O nível máximo do reservatório é estabelecido pela posição do extravasor sendo recomendada a distância mínima de 03 m entre o nível de água máximo atingido pela água em extravasão e a cobertura da unidade Para o dimensionamento do extravasor será utilizada a vazão da hora de maior consumo Q HC5346 Ls Optando pela utilização do vertedor circular Q1518D 0693h 1807 Supondo D040m a perda de carga será h022m Ventilação O dimensionamento da ventilação é realizado para Q HC005346Ls U 15m s Se supormos tubos ventiladores com diâmetro 100 mm ou 000785 m² de seção transversal temos pela equação da continuidade o número de tubos ventiladores 005346m 3 sn00078515ms n1extravasor 17 Findado o dimensionamento as figuras abaixo explicitam a configuração de como ficou o reservatório Figura 01 Vista em planta do reservatório Figura 02 Vista em corte do reservatório de distribuição do projeto 18 19 4 DIMENSIONAMENTO DA REDE PELO MÉTODO LENHSNET 41 O PROGRAMA EPANET Conforme o que aponta Gomes 2009 o conhecimento da eficiência do sistema de abastecimento como também as decisões a serem tomadas com o objetivo de aumentála depende do conhecimento e controle da operação do sistema como um todo Durante muito tempo o controle operacional de sistemas de abastecimento por parte das empresas de saneamento foi executado com o apoio de equipamentos de comunicação de controle e principalmente da experiência da mãodeobra encarregada do serviço Nos últimos anos contudo surgiram ferramentas computacionais que vêm sendo aplicadas cada vez mais para representarem os sistemas físicos e auxiliarem nas tomadas de decisão com o propósito de melhorar a eficiência de operação Tratase de modelos informáticos que representam o sistema de abastecimento como um todo e simulam sua operação ao longo do tempo O surgimento desses modelos baseados nas leis físicas que regem o escoamento de fluidos em redes de abastecimento é recente e se deveu ao avanço da informática nos últimos vinte anos Atualmente existem dezenas de modelos hidráulicos desenvolvidos em vários países destinados à simulação da operação de sistemas de abastecimento de água No entanto o conhecimento e o domínio desta importante ferramenta ainda é uma novidade para a grande maioria dos profissionais que trabalham com a operação de sistemas de distribuição de água Através de simulações hidráulicas poderão ser feitas muitas análises sobre o comportamento da operação do sistema de abastecimento A partir de então poderão ser tomadas decisões sobre possíveis intervenções físicas ou operacionais visando melhorar sua eficiência A importância do emprego de um modelo de simulação na fase de planejamento do sistema de abastecimento é inquestionável O projetista poderá antever as inúmeras situações operacionais do sistema e assim optar por alternativas de projeto que 20 possam melhorar a qualidade do serviço associada à minimização dos custos de energia Uma das características fundamentais dos modelos de simulação e análises de sistemas de abastecimento é a presença da variável tempo O objetivo do modelo não é o de determinar valores das grandezas hidráulicas e sim o de obter a variação destas grandezas ao longo do tempo vazão nos trechos pressão nos nós nível de água nos reservatórios etc em função da variável tempo os modelos podem representar os sistemas de forma estática ou dinâmica Os modelos estáticos aplicados neste projeto objetivam determinar os valores das variáveis do sistema para uma determinada condição cenário de operação Nos modelos dinâmicos as grandezas hidráulicas vazão nos trechos pressão nos nós níveis de água nos reservatórios e energia requerida do bombeamento variam ao longo do tempo em função de variações temporais dos consumos de água nos nós da rede Dentre os modelos hidráulicos de simulação e análises já desenvolvidos um se destaca por sua qualidade e pela quantidade de usuários existentes em muitos países Tratase do EPANET Rossman 2008 desenvolvido pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos US Environmental Protection Agency EPA É um programa de domínio público que pode ser utilizado livremente por qualquer usuário 411 DEFINIÇÃO DO EPANET Conforme Gomes 2009 o EPANET é um programa computacional que permite simular o comportamento hidráulico de um sistema pressurizado de distribuição de água ao longo do tempo O sistema pode ser composto por uma rede de tubulações malhada ou ramificada estações de bombeamento diversos tipos de válvulas e reservatórios de nível fixo ou variável O EPANET também simula o comportamento de parâmetros da qualidade da água ao longo da rede de distribuição durante um determinado período de tempo 21 O programa permite obter valores de vazão em cada trecho da pressão em cada nó da altura de água em cada reservatório de nível variável e da concentração de simulação O EPANET foi concebido para ser uma ferramenta de apoio à análise de sistemas de distribuição de água para abastecimento urbano sistemas de irrigação de combate a incêndios etc Com a utilização do programa o engenheiro ou analista poderá conhecer melhor o sistema de abastecimento com relação a suas variáveis hidráulicas vazão e pressão como também poderá diagnosticar o transporte e o destino dos elementos constituintes da água destinada ao consumo humano O estabelecimento de cenários de operação do sistema de abastecimento a calibração de modelos hidráulicos a análise do decaimento do cloro residual da água tratada e a avaliação dos consumos são alguns exemplos de aplicação do programa Gomes 2009 assevera que o EPANET pode ajudar a analisar alternativas de gestão de modo a melhorar a qualidade do sistema de abastecimento em termos de qualidade e quantidade da água fornecida assim como permite avaliar possíveis ações que possam diminuir o consumo de energia elétrica das estações de bombeamento A atual versão do EPANET utilizada por esse projeto está disponível originalmente em inglês e também em outros idiomas inclusive em português escrito e falado no Brasil A presente versão em português do Brasil foi traduzida pelo Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento da Universidade Federal da Paraíba LENHS UFPB Ele é um programa de grande valia e de grande versatilidade cada vez mais utilizado por profissionais de diferentes países havendo inclusive clubes de usuários com o objetivo de dirimir dúvidas e de trocar informações através da Internet É também uma importante ferramenta pedagógica que pode auxiliar enormemente no ensino da hidráulica pressurizada de sistemas de distribuição 22 412 CARACTERÍSTICAS DA MODELAGEM HIDRÁULICA O EPANET contém um conjunto de ferramentas de cálculo para apoio à simulação hidráulica cujas características mais relevantes são Não existe limite no número de componentes da rede a analisar Calcula as perdas de carga por atrito através das fórmulas de HazenWilliams DarcyWeisbach ou ChezyManning Inclui as perdas de carga singulares em curvas ampliações reduções etc Simula bombas funcionando com velocidade de rotação fixa ou variável Calcula a energia de bombeamento e o seu respectivo custo Modela os principais tipos de válvulas incluindo válvulas de seccionamento de retenção reguladoras de pressão e de vazão Modela reservatórios de armazenamento de água de nível variável com diversas formas geométricas Possibilita estabelecer diferentes categorias de consumo nos nós cada uma com um padrão próprio de variação com o tempo Possibilita estabelecer diferentes categorias de consumo nos nós cada uma com um padrão próprio de variação com o tempo Modela a relação entre pressão e vazão efluente de dispositivos emissores aspersores de irrigação ou consumos dependentes de pressão Possibilita a simulação com diversas regras de operação do sistema 413 PASSOS SEGUIDOS NA UTILIZAÇÃO DO PROGRAMA A modelagem do um sistema de abastecimento de água do atual projeto seguiu a seguinte sequência de etapas 23 Desenho do traçado do sistema de distribuição Edição das propriedades dos componentes objetos que constituem o sistema nós trechos e reservatório Descrição das condições de operação do sistema Seleção de um conjunto de opções de simulação e análises Execução de simulações hidráulicas Obtenção e análises dos melhores resultados das simulações 42 O MÉTODO LENHSNET 421 METODOLOGIA Segundo Gomes 2009 o método LENHSNET é um algoritmo iterativo de dimensionamento otimizado de um sistema pressurizado de distribuição de água composto pela rede de abastecimento com o seu dispositivo de impulsão equipamento capaz de pressurizar uma rede bombeamento reservatório etc O método proporciona como resposto ao dimensionamento os diâmetros de todos os trechos da rede e a cota piezométrica da impulsão de forma a alcançar o custo mínimo total do sistema composto pela rede de tubulações e a energia de bombeamento A metodologia do LENHSNET compreende um processo dinâmico de cálculo iterativo associado ao modelo de simulação hidráulica EPANET 20 O processo iterativo parte de uma solução inicial de contorno onde a rede de distribuição é composta inicialmente pelos diâmetros mínimos admitidos para o projeto em consideração Tal solução inicial possui um custo mínimo de implantação da rede já que está composta pelos diâmetros mínimos atribuídos Entretanto esta solução inicial na grande maioria das vezes não é uma alternativa factível para o sistema pois ela proporciona perdas excessivas 24 nos trechos acarretando níveis insuficientes de pressão disponível nos nós da rede Gomes 2009 então aponta que a partir da solução inicial o processo de cálculo se desenvolve iterativamente de maneira que cada solução subsequente a ser obtida dependerá da solução anterior As soluções subsequentes serão determinadas passo a passo aumentandose os diâmetros de cada trecho da rede de forma que o acréscimo de custa da rede seja o mínimo possível O processo iterativo termina quando a configuração dos diâmetros da rede atende às restrições hidráulicas impostas no projeto Para o funcionamento do algoritmo do método proposto este deve ser associado em paralelo a um simulador hidráulico que fornecerá a cada iteração o equilíbrio hidráulico do sistema e os valores das variáveis de estado do escoamento do fluxo dágua na rede vazão velocidade e perda de carga nos trechos e pressão disponível nos nós segundo as diversas configurações de diâmetros testadas nos trechos O simulador escolhido nesse sentido foi o EPANET Neste método de otimização conforme Gomes 2009 os aumentos dos diâmetros da rede com o menor acréscimo de custo possível dependerão do estado de pressão no sistema de abastecimento especificamente no nó mais desfavorável da configuração inicial de diâmetros de cada iteração Com a solução inicial estabelecida na qual a rede é composta pelos mínimos diâmetros admitidos efetuase uma primeira simulação de escoamento na rede com o EPANET para a obtenção das pressões em todos os nós da rede O nó mais desfavorável da rede será aquele onde a pressão disponível é a mínima Em condições normais nas primeiras iterações este valor será negativo pois na solução de partida os diâmetros mínimos atribuídos aos trechos da rede acarretam elevadas perdas de carga ao longo do sistema Uma vez detectado o nó mais desfavorável e sua respectiva pressão iniciase o processo de cálculo otimizado para a obtenção Na correspondente iteração da mudança de configuração da rede que proporciona o menor aumento de custo possível por ganho de pressão alívio de perda de carga 25 Na correspondente iteração assevera Gomes 2009 testarseão as várias configurações de diâmetros relativas à quantidade de trechos da rede ou seja o número de configurações de diâmetros da rede em cada iteração será igual ao seu número de trechos A mudança física a ser realizada em cada configuração em relação à iteração correspondente será a substituição do diâmetro de apenas um dos trechos da rede pelo diâmetro imediatamente superior A mudança efetiva em uma iteração do diâmetro de um determinado trecho da rede pelo seu superior será definida em função do menor acréscimo de custo da rede pelo ganho de pressão proporcionado O trecho a ser modificado será o que proporcionar o menor gradiente de custo correspondente ao nó mais desfavorável da rede O gradiente de custo Gp relativo a um determinado trecho correspondente ao nó mais desfavorável é dado pela equação abaixo Ele apresenta o custo marginal do alívio de perda de carga na rede proporcionado pela troca do diâmetro do trecho da rede pelo seu adjacente superior G p P2P1 p onde G p Gradiente de custo em unidades monetárias por mca de alívio de perda de carga mca P1 Custo da tubulação do trecho com o seu diâmetro atual em P2 Custo da tubulação do trecho com o seu diâmetro imediatamente superior ao atual em p Ganho de pressão no nó mais desfavorável proporcionado pela diminuição da perda de carga em razão da troca do diâmetro do trecho considerado pelo seu superior em mca Em cada iteração serão calculados n gradientes de pressão correspondentes às n configurações de mudanças de diâmetros dos n 26 trechos da rede O gradiente de custo ótimo Gp será o menor entre todos os calculados em cada iteração O trecho correspondente ao gradiente de custo ótimo será chamado de trecho ótimo t para cada iteração A determinação do gradiente de custo ótimo em cada iteração é feita calculandose o gradiente para todos os trechos da rede O preço P1 para cada trecho é o seu custo unitário de implantação multiplicado pelo respectivo comprimento e P2 é o preço correspondente ao mesmo trecho com o diâmetro imediatamente superior O valor de Δp referente ao cálculo do gradiente de custo corresponde à diferença entre a pressão no nó mais desfavorável naquela iteração e a pressão neste mesmo nó quando a rede se encontra com o diâmetro superior ocupando o trecho em questão Segundo Gomes 2009 para a determinação do gradiente de custo ótimo em cada iteração devese calcular o gradiente de todos os trechos em relação ao nó mais desfavorável Para o cálculo do gradiente de custo de cada trecho em cada iteração devese simular o escoamento da rede para cada configuração com o EPANET para se conhecer a pressão final no nó mais desfavorável Após o cálculo do gradiente de custo de cada trecho em cada iteração o diâmetro superior deste trecho volta ao seu diâmetro imediatamente anterior para que sejam determinados os cálculos dos próximos gradientes Definido o gradiente de custo ótimo a rede assumirá uma nova configuração onde o trecho ótimo passará a ser ocupado pelo diâmetro imediatamente superior Esta última configuração será a configuração de partida para a iteração seguinte O processo iterativo de otimização segue a metodologia antes mencionada até atingir a solução final definitiva que será a solução buscada de custo ótimo para o sistema pressurizado de distribuição de água atendendo às condições de contorno do projeto em estudo Gomes 2009 afirma que o método trabalha com duas alternativas de dimensionamento que determinam as condições de convergência ou de parada do processo iterativo de otimização Na primeira alternativa a rede é abastecida por um reservatório elevado e portanto sua cota piezométrica na origem é fixa e conhecida caso do nosso projeto Nesta situação o custo do 27 sistema corresponderá ao custo de implantação da rede de tubulações Na segunda alternativa a água é impulsionada para o sistema através de bombeamento e o custo total do sistema será composto pelo custo da rede de tubulações mais o custo energético atualizado da estação elevatória Neste último caso a cota na origem será uma variável de decisão a mais no processo de otimização 422 SIMULAÇÃO DE CONTORNO COM A COTA PIEZOMÉTRICA DE ORIGEM FIXA Na primeira alternativa conforme o que aponta Gomes 2009 quando a cota piezométrica na origem é fixa a condição de parada das iterações ocorrerá quando a pressão no nó mais desfavorável atinja ou supere o valor da pressão mínima requerida para a rede Na conclusão do processo iterativo de otimização normalmente existirá uma folga de pressão no nó mais desfavorável da rede que poderá ser aproveitada no processo de otimização eliminandoa para se diminuir ainda mais o custo do sistema Neste caso o método prevê a divisão do trecho modificado na última iteração em dois novos trechos um composto pelo diâmetro final do dimensionamento do trecho e o outro com o imediatamente inferior de forma que se aumente a perda de carga no trecho para compensar a folga de pressão no nó mais desfavorável Esta divisão segundo Gomes 2009 se dará da seguinte maneira criarse á um nó intermediário entre os nós limítrofes do trecho em questão e os dois novos trechos resultantes ficarão um com o diâmetro original e o outro com o diâmetro disponível imediatamente inferior Para a escolha efetiva dos comprimentos das tubulações dos dois subtrechos será necessário determinar o sentido de fluxo do trecho em estudo O sentido de fluxo no trecho considerado será determinado pelo simulador hidráulico na direção da maior para a menor carga piezométrica nos dois nós do trecho Em seguida determinamse os comprimentos dos novos subtrechos de modo que o nó mais desfavorável da rede atinja exatamente o valor da pressão mínima 28 requerida Ou seja por tentativa o trecho a ser dividido será repartido repetidamente buscandose adequar as perdas de carga totais nos dois sub trechos de maneira que a pressão no nó mais desfavorável se ajuste à pressão mínima requerida Finalmente determinase a cota do terreno para o nó intermediário criado Esta cota é determinada utilizando a relação expressa na equação abaixo deduzida a partir da semelhança de triângulos da Figura 03 Xt 1bCn1Cn2 t 1at1b onde t 1a Comprimento do trecho t 1a em m t 1b Comprimento do trecho t 1b em m Cn1 Cota do terreno no nó n1 em m Cn2 Cota do terreno no nó n2 em m X Valor a ser somado com a cota do nó n2 Cn2 para a obtenção da cota no nó n1a Figura 03 Semelhança de triângulos para determinar a equação da cota do terreno do nó n1a 29 Por fim Gomes 2009 destaca que realizados todos os procedimentos acima expostos é realizada uma simulação hidráulica final da rede para a determinação definitiva das variáveis de estado e todo o processo é encerrado 423 DIMENSIONAMENTO DA REDE DE DISTRIBUIÇÃO DO PROJETO DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA PELO LENHSNET O dimensionamento da rede de distribuição para o atual projeto pelo método LENHSNET começou com o adequado lançamento da rede no software EPANET de modelagem hidráulica Nesse sentido para efeito do apropriado preenchimento das características da rede no programa segundo as condições reais de campo foi utilizada a seguinte sequência metodológica a Primeiramente com o traçado da rede realizado por meio do pacote computacional de desenho assistido AutoCad converteuse a extensão do arquivo do desenho dwg para um formato que seja lido pelo EPANET inp por intermédio do programa Dxf2Epa No menu de Configurações Pré Definidas escolheuse também calcular as perdas de carga pela fórmula de HazenWilliams com o coeficiente de rugosidade dos tubos igual a 140 C140 A rede apropriadamente lançada com os identificadores de nós e trechos escolhidos encontrase na Figura 04 próxima página 30 Figura 04 Rede do projeto lançada no EPANET 31 b Em posse da rede devidamente lançada no EPANET passouse a preencher no programa as características dos nós cotas topográficas e consumosbase e das tubulações comprimentos Para definir o consumo base de cada nó estipulouse inicialmente a quantidade média de habitantes por lote na área do projeto no nosso caso 29 habitantes aproximadamente Em seguida foi convencionado um sentido para o escoamento da água vazão Desse modo contaramse todos os lotes a montante desse nó que não haviam sido contabilizados para nós anteriores multiplicouse pela população média de cada lote gerando a população total atendida pelo trecho e se calculou o consumo desse nó pela seguinte fórmula gerando a vazão máxima horária demandada CnóiPxqx K1x K 2 86400 onde Cnói Consumo de água demandado pelo nó i em ls ou LPS P População aproximada atendida pelo trecho obtida pela contagem de lotes do mesmo multiplicada pela população média de cada lote 29 q Consumo per capita de água que para o nosso projeto vale 135 lhabdia K1 Coeficiente do dia de maior consumo 12 K2 Coeficiente da hora de maior consumo 15 A seguinte tabela sumariza de forma aproximada todos os resultados obtidos por trecho Tabela 03 Informações necessárias à obtenção dos consumos nos nós da rede TRECHO QUANTIDADE DE LOTES HABLOTE APROX HAB NO TRECHO VAZÃOLPS N1N2 61 29 1769 498 N2N3 38 29 1102 310 32 N1N4 2 29 58 016 N2N8 9 29 261 073 N3N9 3 29 87 024 N4N5 26 29 754 212 N5N6 12 29 348 098 N6N7 11 29 319 090 N7N8 9 29 261 073 N8N9 49 29 1421 400 N5N16 18 29 522 147 N6N17 41 29 1189 334 N7N18 32 29 928 261 N8N10 3 29 87 024 N9N11 3 29 87 024 N10N11 37 29 1073 302 N10N12 3 29 87 024 N11N15 3 29 87 024 N12N13 7 29 203 057 N13N14 7 29 203 057 N14N15 8 29 232 065 N12N19 8 29 232 065 N13N22 27 29 783 220 N14N23 14 29 406 114 N15N24 0 29 0 000 N24N25 2 29 58 016 N18N20 16 29 464 131 N19N21 14 29 406 114 N20N21 5 29 145 041 N21N22 10 29 290 082 N22N23 7 29 203 057 N23N25 5 29 145 041 N16N17 5 29 145 041 N17N18 5 29 145 041 N18N19 4 29 116 033 N16N26 13 29 377 106 33 N17N27 22 29 638 179 N20N28 10 29 290 082 N21N29 10 29 290 082 N25N30 4 29 116 033 N26N27 8 29 232 065 N27N28 8 29 232 065 N29N30 20 29 580 163 N26N31 3 29 87 024 N28N32 7 29 203 057 N29N33 10 29 290 082 N30N34 4 29 116 033 N31N32 8 29 232 065 N32N33 3 29 87 024 N33N34 11 29 319 090 TOTAL 645 18705 c Com as características de todos os nós e trechos devidamente preenchidas passouse para o dimensionamento pelo LENHSNET propriamente dito Para ele configurouse a aba Dados do Projeto para cota piezométrica fixa na origem e pressão mínima de 10 mca mínima exigida por norma Na aba Dados dos Tubos foram utilizados os valores da Figura 05 contidos em Gomes 2009 Por fim concluído o preenchimento dessas informações realizouse o processamento do dimensionamento A Figura 06 na próxima página expõe a vista em planta do traçado da rede com os valores de pressão nos nós e diâmetros dos tubos calculados pelo programa 34 Figura 05 Informações referentes aos tubos comerciais utilizadas pelo dimensionamento 35 Figura 06 Mapa da rede com as pressões nos nós e os diâmetros ótimos calculados pelo LENHSNET 36 Por fim a Figura 07 mostra mais informações sobre os nós da rede calculada enquanto a Figuras 08 exibe mais informações sobre as tubulações Figura 07 Mais informações sobre os nós da rede Figura 08 Mais informações sobre as tubulações da rede 5 REFERÊNCIAS HELLER Leo PÁDUA Valter Lúcio de Orgs Abastecimento de água para consumo humano Belo Horizonte Editora UFMG 2010 GOMES H P Sistemas de abastecimento de água Dimensionamento Econômico e Operação de Redes e Elevatórias 3 ed João Pessoa Editora Universitária UFPB 2009 MELO José Reinolds Cardoso de Sistemas de Abastecimento de Água notas de aula UFPB ROSSMAN L A Epanet2 Programmers Toolkit Water Supply and Water Resources Division U S Environmental Protection Agency Cincinnati USA 2008