UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE

CENTRO DE TECNOLOGIA E RECURSOS NATURAIS

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL

REA DE CONCENTRAO: ENGENHARIA DE RECURSOS HDRICOS E SANITRIA

RONALDO AMNCIO MENESES

DIAGNSTICO OPERACIONAL DE SISTEMAS DE

ABASTECIMENTO DE GUA: O CASO DE CAMPINA GRANDE

CAMPINA GRANDE

Maio de 2011

RONALDO AMNCIO MENESES

DIAGNSTICO OPERACIONAL DE SISTEMAS DE

ABASTECIMENTO DE GUA: O CASO DE CAMPINA GRANDE

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-

Graduao em Engenharia Civil e Ambiental

da Universidade Federal de Campina Grande,

como parte dos requisitos necessrios para a

obteno do grau de Mestre.

rea de Concentrao: Engenharia de Recursos Hdricos e Sanitria

Orientadores: Prof. Dr. Carlos de Oliveira Galvo

Prof. Dr. Kennedy Flvio Meira de Lucena

Campina Grande, maio de 2011.

RONALDO AMNCIO MENESES

DIAGNSTICO OPERACIONAL DE SISTEMAS DE

ABASTECIMENTO DE GUA: O CASO DE CAMPINA GRANDE

Dissertao aprovada em 27 de maio de 2011.

COMISSO EXAMINADORA:

__________________________________________________

Dr. Kennedy Flvio Meira de Lucena (Orientador)

Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia IFPB

__________________________________________________

Dr. Saulo de Tarso Marques Bezerra (Examinador Externo)

Universidade Federal de Pernambuco - UFPE

__________________________________________________

Dra. Andrea Carla Lima Rodrigues (Examinador Interno)

Universidade Federal de Campina Grande - UFCG

DEDICATRIA

minha me Madalena Amncio (Mad).

Ao meu pai Pedro Meneses, in memorian.

Ao meu irmo Romero Meneses, in memorian.

AGRADECIMENTOS

A Deus, pela vida de paz e harmonia, pela oportunidade de evoluo espiritual, e pelo

amparo nos instantes de dificuldades.

A meus pais, pelo apoio constante, pela educao moral e por sempre me mostrarem

que a retido sempre o melhor caminho a seguir.

A meus irmos, Rosivaldo, Rogrio, Rivaldo, Rosngela, Romero (in memorian),

Rose, Rubens e Maria, pelo companheirismo, apoio e incentivo constantes.

Rose, Geraldo, Philipe e Eduardo, pelo amparo material, moral e espiritual nos

momentos mais difceis.

Plvia, pela inundao de amor, afeto, serenidade e compreenso nos ltimos

meses, quando declinar parecia o bvio. Ao pequeno Henry, por tantos momentos de alegria.

Ao meu orientador Carlos Galvo, pela acolhida no mestrado, disponibilidade, apoio

e confiana constantes e pelos ensinamentos ao longo do desenvolvimento do trabalho.

Ao meu orientador Kennedy Flvio, pelo apoio, ensinamentos valiosos,

disponibilidade e pela humildade, ao longo da convivncia e no direcionar dos caminhos, ao

longo do trabalho.

CAGEPA, pela liberao para os estudos e permisso para coleta de dados, em

especial, ao Engenheiro Carlos Potiguara, que acreditou e apoiou o meu desejo de evoluo

profissional. Aos colegas Fred e Souzinha, pelo incentivo e apoio, substituindo-me nas

muitas ausncias. Ao colega Giordan, pelo apoio e pelo pontap inicial na elaborao do

modelo do sistema. Ao colega Expedito Honorio, pelo incentivo e pelas discusses

enriquecedoras. arquiteta Alba Dornellas e ao tcnico Barbosa pela grande ajuda na coleta

dos dados cadastrais.

minha equipe da Subgerncia de Controle Operacional, por todo o apoio,

encorajamento, compreenso e contribuio; fizeram-me estar presente, quando estava

ausente em muitas oportunidades. Minha sincera gratido a Lourdinha, Winston, Lirianny,

Aprgio, Anglica, Manoel Honorio, Marcelino, Dalcira, Edson, Joo de Deus, Sandoval

e Diego.

Aos colegas Gonzaga e Ruy, pela convivncia harmoniosa e crescimento mtuo em

todos os momentos do curso.

turma do mestrado, Rony, Alan, Priscila, Daniel, Isaas, Jos Guimares e

Zacarias, pela oportunidade de aprendizado com as vivncias de cada um.

A todos os professores, pelo ensino e dedicao.

Aos funcionrios dos laboratrios I e II pela constante disponibilidade, em especial, a

Josete, Alrezinha e Valdomiro.

Aos colegas do Laboratrio de Hidrulica II, Marlia, Zezineto, Rodolfo, Mnica,

Samilly, Ester, Itamara, Barbara, John, Anderson, Renato e Heber, pela alegria da

convivncia.

A todos os amigos e colegas pelo incentivo constante, em especial a Srgio Espnola,

Bondia, Clediana, Roberto Evaristo, Constncia, Laurindo, Ariosto e ngela.

Aos professores Luciano Azevedo e Gledsnelli Lins, pela recomendao ao

programa.

E por fim, a todos que, de alguma forma, contriburam para o desenvolvimento deste

trabalho.

RESUMO

Fatores como crescimento urbano desordenado, ausncia de controle de perdas,

envelhecimento dos sistemas, alteraes e expanses no previstas, elevados custos

operacionais, alm das incertezas associadas dificultam a operao dos sistemas de

abastecimento de gua, tornando-a um conjunto de processos cada vez mais complexo e

problemtico, resultando no no atendimento da demanda em quantidade e qualidade, no no

cumprimento das presses mnimas e no abastecimento sem eficincia operacional e

energtica. Neste trabalho, foi elaborado um diagnstico do sistema de abastecimento da

cidade de Campina Grande (SACG), com o objetivo de subsidiar a melhoria da gesto do

sistema. Essa melhoria compreende: atender demanda de abastecimento, reduzir o custo

operacional energtico, reduzir o nmero de acionamentos/desligamentos das bombas e

vlvulas, reduzir as perdas de gua e buscar procedimentos operacionais eficientes. O trabalho

consistiu no levantamento minucioso de informaes operacionais e dados cadastrais de todo

o sistema e modelagem computacional, atravs do software EPANET. Constatou-se a

necessidade de implantao de plano de reabilitao de rede e de manuteno preditiva e

preventiva para as unidades operacionais. Verificou-se que possvel definir um

agendamento operacional dirio para o SACG, atendendo aos critrios hidrulicos e com

reduo dos custos de energia. Percebeu-se que, atualmente, no se permite operacionalizar o

sistema sem o funcionamento da estao elevatria de Gravat no horrio de ponta (17:30

horas s 20:30 horas), mas isso seria possvel com a reduo da demanda a partir de 5%, com

prticas de reduo de perdas fsicas e melhorias na micromedio. As atividades de

manuteno preventiva podero ser realizadas pela manh e se durarem duas horas, no

prejudicaro o sistema. Verificou-se ainda que, mesmo o sistema sendo operado nas suas

condies limites de atendimento da demanda, com base no diagnstico operacional, podem-

se definir procedimentos para que a operao torne-se mais eficiente e mais econmica.

Palavras chave: sistema de abastecimento de gua; gesto da operao; EPANET; eficincia

energtica; demanda.

ABSTRACT

Factors such as urban sprawl, lack of damage control, aging systems, modifications and

expansions not covered, high operating costs, in addition to uncertainties associated with

difficult operating conditions, making it a set of processes increasingly complex and

problematic, resulting in unmet demand in quantity and quality, non-compliance with

minimum pressures of supply and operational efficiency and without energy. In this paper,

diagnosis system was developed to supply the city of Campina Grande (SACG), with the aim

of supporting the improvement of management system. This improvement comprises:

satisfying the demand of supply, reduce operating cost energy, reduce the number of on / off

power for pumps and valves, reducing water losses and seek efficient operational

procedures. The research consisted of examining detailed operational information and

registration data of the whole system and computational modeling, by EPANET. It was noted

the need to implement the rehabilitation plan and network of predictive and preventive

maintenance for the operational units. It was found that you can set schedule for the daily

operational SACG, given the criteria and reducing the hydraulic energy costs. It was felt that

currently are not allowed to operate the system without the operation of the lift station

Gravat at peak hours (17:30 PM to 20:30 PM), but it would be possible with reduced demand

from 5% with practices to reduce physical loss and improvements in micro-measurement. The

preventive maintenance activities can be carried out in the morning and last for two hours,

will not harm the system. It was found that even the system being operated in its extremes to

meet demand, operating through the diagnostic procedures can be defined so that the

operation becomes more efficient and more economical

Keywords: water distribution system; operations management; EPANET; energy efficiency,

demand.

LISTA DE ILUSTRAES

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Unidades operacionais de um SAA 5

Figura 2.2 Nveis operacionais de reservatrios e clculo da velocidade de

subida do nvel da gua (Adaptado de Ohara e Lacerda, 2002) 13

Figura 2.3 Distribuio percentual dos gastos com energia eltrica na

CAGEPA (TEIXEIRA, 2010). 34

Figura 3.1 Manancial e estao de tratamento do SACG e algumas

localidades atendidas (adaptado de CAGEPA, 2010). 40

Figura 3.2 Unidades operacionais do SACG (adaptado de CAGEPA, 2010). 41

Figura 3.3 Zonas de presso do SACG. 48

Figura 3.4 Planilha para o controle operacional do SACG. 59

Figura 4.1 Fluxo de etapas metodolgicas. 61

Figura 4.2 Planilha do controle operacional do SACG. Em destaque, estado

das bombas (F: em funcionamento; P: desligada). 66

Figura 4.3 Planilha do controle. Em destaque, nvel de reservatrios. 66

Figura 4.4 Modelagem para o sistema EEAT-Gravat 75

Figura 5.1 Evoluo mensal do volume armazenado no aude Boqueiro em

12 meses (adaptado de AESA, 2011). 78

Figura 5.2 Evoluo do volume armazenado no aude Boqueiro na ltima

dcada (adaptado de AESA, 2011). 79

Figura 5.3 Estao elevatria do R-09 para o R-05 (adaptado de Cavalcanti,

2006). 81

Figura 5.4 Expanso das zonas de abastecimento da cidade de Campina

Grande (adaptado de CAGEPA, 2010). 86

Figura 5.5 Identificao de necessidade de ponto de macromedio de vazo

no R-05. 89

Figura 5.6 Identificao de necessidade de ponto de macromedio de vazo

no R-04. 90

Figura 5.7 Identificao de necessidade de ponto de macromedio de vazo

no R-09. 93

Figura 5.8 Quantitativos dos servios de retirada de vazamentos na cidade de

Campina Grande (CAGEPA, 2010). 94

Figura 5.9 Variao mdia do consumo x produo para o ano de 2009. 100

Figura 5.10 Padro de consumo para o SACG. 102

Figura 5.11 Comportamento dos nveis dos reservatrios na simulao 3. 104

Figura 5.12 Comportamento dos nveis dos reservatrios na simulao 14. 106

Figura 5.13 Funcionamento dos conjuntos motobombas na simulao 2. 107

Figura 5.14 Funcionamento dos conjuntos motobombas na simulao 3. 108

Figura 5.15 Variao dos nveis dos reservatrios na simulao 10. 111

Figura 5.16 Funcionamento dos conjuntos motobombas na simulao 14. 112

Figura 5.17 Comportamento dos nveis dos reservatrios na simulao 15 112

Figura 5.18 Comportamento dos nveis dos reservatrios na simulao 18. 116

Figura 5.19 Funcionamento dos conjuntos motobombas na simulao 18. 118

Figura 5.20 Comportamento dos nveis dos reservatrios na simulao 19. 119

Figura 5.21 Funcionamento dos conjuntos motobombas na simulao 19. 120

Figura 5.22 Comportamento dos nveis dos reservatrios na simulao 20. 121

Figura 5.23 Comportamento dos nveis dos reservatrios na simulao 24. 121

Figura 5.24 Comportamento dos nveis dos reservatrios, operando fora do

horrio de ponta (simulao 26). 127

Figura 5.25 Funcionamento dos conjuntos motobombas operando fora de

ponta (simulao 26). 127

Figura 5.26 Comportamento dos nveis dos reservatrios na simulao 28. 130

Figura 5.27 Funcionamento dos conjuntos motobombas operando fora de

ponta na simulao 28. 130

Figura 5.28 Comportamento dos nveis dos reservatrios, com aumento de 5%

na demanda 132

LISTA DE QUADROS E TABELAS

LISTA DE QUADROS

Quadro 3.1 Quadro resumo do sistema de reservao do SACG. 57

Quadro 3.2 Quadro resumo das estaes elevatrias do SACG. 58

Quadro 5.1 Localidades abastecidas atualmente pelo aude Boqueiro 79

Quadro 5.2 reas do SACG com dificuldades no abastecimento de gua 98

Quadro 5.3 Descrio das condies adotadas nas simulaes da EEAT-

Gravat

103

Quadro 5.4 Horrio da manuteno preventiva nas simulaes da EEAT-

Gravat

115

Quadro 5.5 Condies gerais para simulao com operao fora do horrio de

ponta

125

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 Caractersticas da EEAB Boqueiro (CAGEPA, 2010) 42

Tabela 3.2 Caractersticas da ETA-Gravat (CAGEPA, 2011) 43

Tabela 3.3 Caractersticas da EEAT-Gravat e das adutoras de gua tratada 44

Tabela 3.4 Localidades atendidas pelo SACG (com informaes da CAGEPA,

2010 e IBGE, 2010) 45

Tabela 3.5 Zonas de presso do SACG 47

Tabela 3.6 Comprimento por dimetro nominal (adaptado de CAGEPA, 2010) 48

Tabela 3.7 Reservatrios da zona urbana e distritos de Campina Grande

(adaptado de CAGEPA, 2010) 50

Tabela 3.8 Reservatrios abastecidos das cidades a partir da rede de

distribuio de Campina Grande (adaptado de CAGEPA, 2010). 51

Tabela 3.9 Volume distribudo para o SACG no ano de 2009 (adaptado de

CAGEPA, 2010) 51

Tabela 3.10 ndice de perdas dos prestadores de servios do Nordeste do Brasil

(SNIS, 2007) 52

Tabela 3.11 Estudos com informaes referentes ao perfil de consumo de gua

do SACG 53

Tabela 3.12 Funcionamento da EEAB- Boqueiro (adaptado de CAGEPA, 2010) 54

Tabela 3.13 Vazes da EEAB Boqueiro (adaptado de CAGEPA, 2010 55

Tabela 3.14 Vazes da EEAT-Gravat (adutoras DN 500, DN 700 e DN 800)

(adaptado de CAGEPA, 2010) 55

Tabela 4.1 Planilha para determinao dos volumes produzidos e consumidos

para o dia 12 de maro de 2009 67

Tabela 4.2 Caractersticas das adutoras de gua tratada (adaptado de CAGEPA,

2010) 73

Tabela 5.1 Crescimento da rede de distribuio de gua (CAGEPA, 2011). 84

Tabela 5.2 Crescimento dos trechos de menor dimetro (CAGEPA, 2011). 85

Tabela 5.3 Levantamento da necessidade da macromedio para a zona de

presso A. 89

Tabela 5.4 Levantamento da necessidade de macromedio para as zonas de

presso atendidas diretamente das adutoras 90

Tabela 5.5 Levantamento da necessidade da macromedio para as zonas de

presso B e C 91

Tabela 5.6 Levantamento da necessidade da macromedio para a zona de

presso D 92

Tabela 5.7 Comportamento do crescimento das ligaes de gua do SACG

(CAGEPA, 2011) 93

Tabela 5.8 Vazamentos retirados da rede de distribuio no ano de 2009

(CAGEPA, 2011) 95

Tabela 5.9 Resultados das simulaes para definio do agendamento

operacional dirio 105

Tabela 5.10 Custo dirio com consumo de energia eltrica para as simulaes 113

Tabela 5.11 Resultados das simulaes para as paradas programadas na EEAT-

Gravat. 117

Tabela 5.12 Custo dirio de energia eltrica para as simulaes 3 e 5 (adaptado

de ENERGISA, 2010) 122

Tabela 5.13 Valores do contrato de uso de energia eltrica no perodo de um

ms. 123

Tabela 5.14 Economia mxima com energia eltrica no horrio de ponta, no

perodo de um ms (adaptado de CAGEPA, 2010). 124

Tabela 5.15 Despesa com energia eltrica no horrio de ponta, no perodo de 12

meses (CAGEPA, 2010) 125

Tabela 5.16 Resultado da simulao com operao fora do horrio de ponta 126

Tabela 5.17 Resultado da simulao com operao fora do horrio de ponta,

considerando reduo de demanda. 130

Tabela 5.18 Anlise da simulao 3 com o aumento da demanda para a operao

do item 5.3.2.1 (agendamento operacional dirio) 132

Tabela 5.19 Resultados das simulaes com o aumento da demanda para a

operao do item 5.3.2.1 (agendamento operacional dirio) 133

Tabela 5.20 Resultados das simulaes com o aumento da demanda para a

operao do item 5.3.2.2 (agendamento para manuteno

programada) 135

SUMRIO

1 INTRODUO 1

1.1 Caracterizao do problema 1

1.2 Objetivo geral 3

1.3 Objetivos especficos 3

2 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE GUA (SAA) 4

2.1 Sistemas de abastecimento de gua 4

2.2 Operao de SAA 8

2.2.1 Operao de sistemas de reservao 12

2.3 Automao e Sistemas SCADA 15

2.4 Modelagem 19

2.4.1 Estado da arte em modelagem de SAA 23

2.5 Previso de demanda 32

2.6 Eficincia energtica em SAA 33

3 O SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE CAMPINA

GRANDE (SACG) 35

3.1 Estrutura de gesto da CAGEPA 35

3.2 Descrio do sistema 35

3.2.1 Breve histrico 35

3.2.2 Unidades operacionais 39

3.2.2.1 O manancial 39

3.2.2.2 A captao 42

3.2.2.3 A estao elevatria de gua bruta 42

3.2.2.4 Adutoras de gua bruta 42

3.2.2.5 Estao de tratamento de gua (ETA-Gravat) 43

3.2.2.6 A estao elevatria de gua tratada (EEAT-Gravat) e adutoras de gua

tratada

43

3.2.2.7 Localidades atendidas 45

3.2.2.8 Rede de distribuio 46

3.2.2.9 Sistemas de reservao 49

3.2.2.10 Macromedio, micromedio, perdas e perfil do consumo 51

3.2.3 Descrio da operao 54

3.2.3.1 A EEAB-Boqueiro 54

3.2.3.2 A EEAT-Gravat 54

3.2.3.3 Sistema de reservao e outras estaes elevatrias 56

3.3 O sistema de controle operacional 56

3.4 O sistema de automao 59

4 METODOLOGIA 61

4.1 Levantamento de informaes cadastrais do sistema 62

4.2 Levantamento de dados operacionais 63

4.3 Elaborao da curva de demanda 64

4.4 Diagnstico do sistema 68

4.4.1 Diagnstico das unidades operacionais 68

4.4.2 Diagnstico da operao 69

4.5 Modelagem do sistema 70

4.5.1 Descrio do modelo EPANET 2 71

4.5.2 Modelagem do SACG 72

4.5.2.1 Estimativa do consumo para os ns 72

4.5.2.2 Modelagem das unidades operacionais 72

4.5.2.3 Modelagem e simulao para o sistema adutor EEAT-Gravat 74

4.5.3 Elaborao de regras operacionais 74

4.5.4 Anlise da robustez das regras 77

5 RESULTADOS E DISCUSSES 78

5.1 Diagnstico das unidades operacionais do SACG 78

5.1.1 Manancial 78

5.1.2 Captao 80

5.1.3 Adutoras de gua tratada 80

5.1.3.1 Estaes elevatrias 82

5.1.3.2 Tubulaes 82

5.1.4 Rede de distribuio 83

5.1.4.1 Sistemas de reservao 83

5.1.4.2 Estaes elevatrias 83

5.1.4.3 Rede de tubulaes e acessrios 84

5.1.4.4 Macromedio e micromedio 87

5.1.4.5 Manuteno preventiva e corretiva 94

5.2 Diagnstico da operao 96

5.2.1 Regime operacional atual 96

5.2.2 Controle operacional 96

5.2.3 reas com falhas no abastecimento 97

5.3 Simulao da operao do sistema adutor EEAT-Gravat 100

5.3.1 Curva de demanda 100

5.3.2 Simulaes 102

5.3.2.1 Agendamento operacional dirio 103

5.3.2.2 Agendamento para execuo de manuteno programada 114

5.3.2.3 Operao com funcionamento apenas no horrio fora de ponta 123

5.3.2.4 Operao com funcionamento apenas no horrio fora de ponta e com

reduo de demanda 129

5.4 Regras operacionais 131

5.4.1 Agendamento operacional dirio 131

5.4.2 Agendamento para execuo de manuteno programada 134

6 CONCLUSES E RECOMENDAES 136

6.1 Concluses 136

6.2 Recomendaes 137

7 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 138

1

1 INTRODUO

1.1 Caracterizao do problema

Para que um sistema pblico urbano de abastecimento de gua possa atender

determinada populao, diversas etapas devem ser previamente estabelecidas e cumpridas. De

modo geral, as principais so: elaborao do projeto, implantao e operao. As duas

primeiras fases consistem nos estudos tcnicos de concepo, dimensionamento e execuo,

observando-se prioritariamente o que est consubstanciado nas normas tcnicas e nas anlises

econmicas de custo benefcio.

A operao consiste no conjunto de atividades e aes que permitam o funcionamento

das unidades componentes do sistema, de modo que todos os pontos de consumo sejam

plenamente abastecidos, de acordo, tambm, com parmetros tcnicos e econmicos. Porm,

devido s grandes dificuldades de gesto do processo operacional, estas exigem estudos e

anlises detalhadas, pois grande o nmero de incertezas intervenientes.

Assim, a rotina operacional de um sistema de abastecimento de gua (SAA) pode

apresentar diversas dificuldades. Entre elas: alto ndice de perdas fsicas, elevados custos com

energia eltrica, capacidades inadequadas dos reservatrios de distribuio, reas atendidas

no previstas em projeto, realizao de constantes manobras na rede de distribuio para

servios de manuteno, tubulaes antigas em avanado estgio de deteriorao,

equipamentos das estaes elevatrias com elevado grau de desgaste, cadastros tcnicos

desatualizados, alterao de parmetros de qualidade ao longo da rede de distribuio.

Este cenrio dificulta a operao, tornando-a um conjunto de processos cada vez mais

complexo e problemtico. Diante disso, Carrijo (2004) considera que a operao de um SAA

no pode ser entendida apenas como uma mera sequncia de comandos exercidos sobre os

equipamentos, que tm como objetivo o atendimento da demanda. Na realidade, o problema

muito mais amplo e multidisciplinar, envolvendo aspectos de planejamento, controle e

superviso, servios de infra-estrutura de apoio e de atendimento ao usurio, todos

considerados simultaneamente e interdependentes entre si.

Vicente (2005) afirma que as dificuldades operacionais dos sistemas so provenientes,

principalmente, da carncia de tcnicas de engenharia operacional e de mtodos modernos de

gesto de pessoas.

2

Paralelamente ao desenvolvimento socioeconmico do pas em diversas reas, novos

cenrios descortinam-se e avanam rapidamente. Na seara jurdica, os instrumentos de

proteo do cidado evoluem a passos largos, de modo que a legislao e os institutos de

defesa e proteo do consumidor encontram-se consolidados, exigindo que as prestadoras de

servios pblicos, por exemplo, adaptem-se s novas realidades. Na esfera dos recursos

hdricos, instrumentos e normas so implantados, indicando que o uso racional da gua o

paradigma a seguir. No cenrio tecnolgico, o desenvolvimento dos computadores ocorre

rapidamente e permite ao homem desenvolver tcnicas de simulao de sistemas reais e criar

mecanismos que possam melhorar e controlar continuamente os processos de produo,

tratamento e distribuio de gua.

As ferramentas computacionais atingiram avanado grau de aperfeioamento e esto

tornando-se cada vez mais acessveis, com a existncia de softwares livres e de cdigo aberto

de boa qualidade e muito utilizados em diversos pases. Equipamentos que tornam a operao

mais eficiente so desenvolvidos e aperfeioados, como vlvulas, conversores de frequncia e

sensores. A automao comea a ser implantada nos sistemas mais complexos, de modo que

os sistemas supervisrios passam a ser ferramentas de grande utilidade.

Pesquisadores empenham-se na realizao de novos estudos visando eficincia da

operao. Os modelos hidrulicos assumem papel fundamental nesse contexto, tornando-se

ferramenta essencial no realizar das pesquisas.

A urbanizao em elevados ndices (com o ainda crescente xodo rural), traduzida no

crescimento das cidades, com a construo civil, atingindo altos nveis, principalmente na

edificao vertical e de conjuntos habitacionais populares, vem exigindo respostas urgentes

dos sistemas de abastecimento, numa poca em que a escassez de gua potvel j uma

realidade, de tal modo que, em determinados locais, a realizao do atendimento torna-se

difcil.

Assim, as concessionrias responsveis pelo servio de abastecimento de gua devem

adotar medidas que se adaptem s necessidades atuais e utilizem novas ferramentas

tecnolgicas e de gesto, de modo que os processos operacionais sejam realizados mais

eficientemente.

Porm, percebe-se, ainda, que, na maioria dos sistemas brasileiros, tcnicas e

tecnologias de gesto da operao ainda no foram implementadas, sinalizando que ainda

muitas aes de planejamento devero ser estudadas ao longo dos prximos anos, exigindo

elevados investimentos econmicos.

3

De modo geral, com a crescente complexidade dos SAA, com as condies de

escassez de gua, com o volume de reservao restrito, com a capacidade de aduo limitada

pelas dimenses das tubulaes, pelas caractersticas fsicas da topografia, pela ausncia de

equipamentos de controle adequados necessria, cada vez mais, a existncia de um conjunto

bem definido de subsdios para a gesto do processo operacional de distribuio de gua.

Neste trabalho apresenta-se um estudo que visa ao diagnstico da operao do Sistema

de Abastecimento de Campina Grande (SACG), considerada etapa fundamental para subsidiar

qualquer programa de melhoria dos servios de fornecimento de gua populao, de reduo

de perdas, de eficientizao energtica, de reabilitao e de expanso do sistema.

1.2 Objetivo geral

A proposta deste trabalho a elaborao de diagnstico operacional de SAA e o

desenvolvimento de um conjunto de regras ou procedimentos que sirvam como suporte para a

tomada de deciso dos processos operacionais.

1.3 Objetivos especficos

Os objetivos especficos desse trabalho so:

Elaborao de diagnstico da situao das unidades operacionais do SAA.

Elaborao de diagnstico da operao do SAA.

Elaborar perfil de consumo do sistema.

Definio de agendamento operacional para estaes elevatrias de gua tratada

(EEAT) e para reservatrios.

Definio de horrio para a execuo de servios de manuteno preventiva em

EEATs e adutoras de gua tratada.

Verificar se o SAA permite a suspenso do funcionamento de EEATs no horrio de

ponta.

Verificar cenrios operacionais considerando a reduo e o aumento de consumo do

sistema.

4

2 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE GUA (SAA)

2.1 Sistemas de abastecimento de gua

Para que o homem viva em comunidade, torna-se primordial a existncia de um

conjunto de sistemas de infra-estrutura nos aglomerados populacionais que objetive atender a

todas s suas necessidades. Entre eles, pode-se citar o sistema de drenagem de guas pluviais,

os arruamentos, as vias pblicas e pavimentao, o servio de coleta e destino de resduos

slidos, o sistema de coleta e tratamento de esgoto e o de transporte coletivo. Porm, um dos

mais essenciais refere-se ao abastecimento de gua potvel, suprindo os diversos consumos

suscitados pela sociedade (uso domstico, comercial, industrial e pblico).

Assim, o conjunto de obras, instalaes, equipamentos e servios, que constitui um

complexo de sistemas hidrulicos, destinado a produzir e distribuir gua a uma comunidade,

em quantidade e qualidade compatveis com as necessidades da populao denominado de

sistema de abastecimento pblico de gua (FUNASA, 2006).

De modo geral, um sistema de abastecimento constitudo pelas seguintes unidades: o

manancial, a captao, as adutoras, as estaes elevatrias, a estao de tratamento, os

reservatrios e a rede de distribuio. A Figura 2.1 apresenta uma configurao geral para um

SAA.

O manancial o corpo de gua superficial ou subterrneo, de onde retirada a gua

para o abastecimento da comunidade. Alm de dispor de vazo suficiente, a qualidade da gua

(do ponto de vista fsico, qumico, biolgico e bacteriolgico) deve atender aos critrios de

potabilidade estabelecidos na Portaria N 518/2004 do Ministrio da Sade. Assim, medidas

de controle devem ser tomadas tendo em vista degradao sofrida pelos mananciais devido a

fatores como urbanizao, eroso e assoreamento, indstrias, crregos e guas pluviais,

resduos slidos e agrcolas e esgotos domsticos.

A captao o conjunto de estruturas e acessrios responsveis pela retirada da gua

do manancial a ser destinada para a etapa de tratamento.

As adutoras permitem a conduo da gua para as unidades que esto localizadas a

montante da rede de distribuio. Podem ser de gua bruta ou tratada. So por gravidade ou

recalque.

5

NA

NA

NA

EEAT

Relev

Legenda

Relev - Reservatrio Elevado

Rap - Reservatrio apoiado

Rsemi - Reservatrio semi enterrado

EEAB - Estao Elevatria de gua Bruta

EEAT - Estao Elevatria de gua Tratada

Macromedidor

ETA - Estao de Tratamento de gua

ETA

EEAB

EEAT

Manancial

Captao

ADAT

ADAB

ADAB - Adutora de gua Bruta

ADAT - Adutora de gua Tratada

Rap

Rsemi

Rede de distribuio

Rede de distribuio

Booster

ADAT

Rede de distribuio

Figura 2.1 - Unidades operacionais de um SAA.

6

As estaes elevatrias ou de recalque so as instalaes de bombeamento destinadas

a transportar gua a pontos mais distantes ou mais elevados, aumentar a vazo das adutoras e

alimentao direta da rede de distribuio atravs de boosters. So as unidades onde

normalmente ocorrem os maiores gastos com energia eltrica.

A estao de tratamento (ETA) possibilita que a gua a ser distribuda esteja adequada

ao consumo. O tipo de tratamento escolhido vai depender principalmente das condies

qualitativas em que se encontra a gua do manancial.

Os reservatrios so os elementos destinados a regularizar as variaes entre as vazes

de aduo e de distribuio e condicionar as presses na rede de distribuio. So unidades

importantes para o controle do abastecimento. Com o objetivo de melhorar a distribuio de

gua, aproveitar ao mximo a capacidade de acumulao e dar segurana operacional ao

sistema, necessrio estabelecer regras e nveis operacionais de segurana.

A rede de distribuio a parte do sistema, constituda por tubulaes e rgos

acessrios, destinada a suprir a necessidade dos consumidores por gua potvel, de forma

contnua, em quantidade, qualidade e presso adequadas. Geralmente h trechos ramificados e

malhados. Devido expanso natural do sistema, requer uma constante atualizao cadastral,

uma vez que o processo de modificao (instalao e retirada de vlvulas, interligaes,

extenses de rede, etc.) de suas unidades dinmico.

As ligaes prediais ou domiciliares so os pontos de consumo da rede. Devem ser

dotadas de hidrmetros, para a realizao da micromedio. H ainda os hidrantes, que so

unidades que disponibilizam gua na rede para combate emergencial a incndios.

Alm disso, nas diversas unidades h um grande nmero de dispositivos e acessrios

que possibilitam o controle da operao do sistema, como vlvulas de bloqueio (gaveta e

esfera), vlvulas de regulagem (globo, borboleta, agulha, diafragma), vlvulas de proteo

(por exemplo, alvio e segurana), vlvulas de controle de presso (redutora, sustentadora),

vlvulas de controle de vazo, tanques de acumulao unidirecional, quadros de comando

eltrico, sensores, medidores de vazo, etc.

Os sistemas tm arranjos muito diversos. Podem atender pequenas ou grandes

comunidades, e suas estruturas podem ter baixo ou alto grau de complexidade. A concepo

depende de muitos fatores, entre eles, porte da cidade, topografia, sua posio em relao aos

mananciais, etc. (TSUTIYA, 2001). Portanto, devem-se considerar as diversas variveis

intervenientes para que se procure a soluo mais adequada (HELLER, 2006). De acordo com

a UNICEF (1978), a tecnologia apropriada para o saneamento deveria ser aquela

7

higienicamente segura, tcnica e cientificamente satisfatria, social e culturalmente aceitvel,

incua ao ambiente e economicamente vivel. H uma tendncia atual da escolha por sistemas

integrados, ou seja, aqueles que dispem de um nico manancial, uma nica ETA e vrias

localidades atendidas.

Grandes quantias de recursos financeiros so destinadas para o projeto, a implantao,

a operao e a manuteno dos sistemas de abastecimento. Ainda h os impactos ambientais

causados e a necessidade de criao de uma estrutura de gerenciamento que se adapte s

caractersticas intrnsecas da soluo escolhida. Por outro lado, devem ser previstas as

ampliaes ao longo do alcance do projeto. Diante disso, estudos detalhados

multidisciplinares devem ser realizados logo no incio da escolha da concepo. Os projetos

devem priorizar medidas que facilitem as aes operacionais.

Nesse sentido, devido preocupao com a escassez de recursos hdricos e o grande

crescimento das cidades, a gesto dos processos operacionais surge como atividade essencial

a ser desempenhada pelas concessionrias dos servios de saneamento. primordial a

implantao de um planejamento que contemple aes de controle das perdas, eficincia

energtica e melhoria dos procedimentos de operao e manuteno. So medidas que

estabelecem como prioridade o uso racional da gua.

O aumento nos nveis de urbanizao e consequentemente na demanda por gua

potvel tornou a operao dos sistemas de distribuio uma tarefa bastante complexa

(ORMSBEE E REDDY, 1995).

A gesto da operao dos SAA uma atividade que deve ser assumida como

prioritria pelo corpo gerencial. Atravs dela, melhora-se a eficincia energtica e hidrulica,

reduzem-se as perdas de gua e prorroga-se a execuo de obras para ampliao do sistema.

Dessa forma, a anlise econmica e financeira imprescindvel para qualquer projeto

de engenharia, principalmente, os de sistemas de abastecimento de gua, que envolvem custos

bastante elevados, no que se refere aos investimentos para a implantao do projeto, como

tambm na operao e manuteno destes sistemas (GOMES, 2009).

De acordo com Gomes (2009), a metodologia mais adequada para o problema da

indeterminao hidrulica no dimensionamento dos condutos de recalque aquela que se

utiliza da introduo do critrio econmico para se alcanar a alternativa de projeto que

minimize o custo total do sistema, composto pelos custos de implantao e de operao.

Porm, aps a implantao, todo sistema de abastecimento susceptvel ao surgimento

de falhas (qualquer fenmeno que ocasione uma deficincia em termos de presso e vazo nas

8

redes hidrulicas). Cullinane et al. (1992) classificam essas falhas em mecnicas ou

hidrulicas. As falhas hidrulicas so decorrentes de fatores como o aumento na demanda dos

ns (crescimento populacional), o aumento da rugosidade das tubulaes (idade das redes), os

vazamentos distribudos (construo, trfego, solo, dentre outros) e a falta de energia eltrica.

Por outro lado, as falhas mecnicas so decorrentes de quebras de componentes hidrulicos

como bombas, vlvulas e tubulaes. As causas mais comuns so as presses elevadas

(interrupes da rede e transientes hidrulicos), os eventos catastrficos, defeitos nos

componentes e ainda tenses elevadas, como por exemplo, aquelas ocasionadas pelo trfego

sob o sistema. Muitos destes problemas ocorrem devido aplicao de prticas inadequadas

de gesto operacional de todo o processo, desde a produo at a distribuio da gua.

A operao eficiente de um SAA fundamental para que sua vida til se prolongue o

mximo possvel, garantindo o atendimento aos consumidores, alm de manter os custos de

energia eltrica e manuteno dentro dos padres aceitveis (CARRIJO, 2004).

2.2 Operao de SAA

Aps a implantao de um SAA, independente de sua complexidade, imprescindvel

a utilizao de critrios e regras para se definirem os procedimentos de funcionamento do

mesmo.

A gesto do processo de operao do sistema torna-se fundamental para um bom

funcionamento durante o perodo de alcance do projeto. Para Carrijo (2004), a operao vem

recebendo ateno especial por parte de pesquisadores e outros profissionais da rea, devido

necessidade de se garantir confiabilidade no atendimento dos servios, economia de energia

eltrica no uso dos equipamentos, atendimento das demandas, com presses desejadas e,

retardamento de investimento para a expanso de suas unidades.

Barbosa et al. (1999) distinguiram, em dois grandes grupos, os objetivos a serem

atingidos pelos sistemas de abastecimento de gua: objetivos tcnicos e econmicos. Os

primeiros esto ligados ao desempenho hidrulico, tais como a garantia das presses mnimas

e mximas1, a garantia de gua suficiente para proteo contra incndio, confiabilidade

operacional, etc. No segundo grupo configura-se a minimizao dos custos associados aos

componentes do sistema e aos custos operacionais.

1 De acordo com a NBR 12 218/1994, que trata de projeto de rede de distribuio de gua para abastecimento

pblico, a presso dinmica disponvel mnima deve ser de 10 mca e a mxima esttica, 50 mca.

9

O conceito de controle operacional de sistemas de abastecimento envolve o

entendimento da inter-relao de variveis importantes. Mas Luvizotto Jnior (1995) nos

alerta que o conceito de operao de sistemas entendido por leigos como uma mera

sequncia de comandos de equipamentos, que tem como objetivo o atendimento da demanda.

Nesse entendimento, Carrijo (2004) assegura que o problema muito mais amplo,

envolvendo aspectos de planejamento, controle e superviso, servios de infraestrutura de

apoio e atendimento ao usurio, todos, considerados de forma simultnea e interdependentes

entre si.

Francato (2002) enumerou, em trs categorias, os principais problemas que desafiam a

operao: problemas de gesto administrativa das empresas em que se inclui a baixa

qualificao profissional dos funcionrios, a falta de responsabilidade dos servios

executados; problemas poltico-institucionais, resultantes da falta de continuidade das aes

de uma administrao pblica para outra e da falta de competio entre empresas; problemas

tcnicos e operacionais que resultam numa operao inadequada do sistema.

Em muitos sistemas, ainda durante o perodo de alcance, h o aumento da demanda,

extrapolando a sua capacidade de produo. muito comum, em determinada regio, haver

uma expanso populacional que no estava prevista, principalmente, no projeto do sistema de

abastecimento. Diante disso, as concessionrias tm que encontrar uma resposta para o

atendimento da populao e o sistema passa a ser operacionalizado em situaes totalmente

diversas daquelas em que foi projetado. Dessa forma, Luvizoto Jnior (1995) ressaltou que a

falta de dados operacionais e as deficincias no atendimento enfatizam a necessidade da

utilizao de um controle operacional mais rgido para o sistema.

A existncia de falhas mecnicas ou hidrulicas pode vir a prejudicar o funcionamento

da distribuio de gua. Assim, o objetivo bsico da operao garantir o atendimento ao

consumidor com eficincia e confiabilidade. As atividades ligadas ao abastecimento so as

que compem a operao propriamente dita, de carter permanente e ininterrupto, visando a

manter o sistema em funcionamento e atendendo s demandas. Estas atividades envolvem,

dentre outras, o controle do abastecimento, a manuteno corretiva, o atendimento ao pblico,

a gerao de dados operacionais e relatrios de operao. A confiabilidade mecnica o

principal suporte da operao, pois envolve a inspeo e a manuteno preventiva das

instalaes, a anlise dos dados operacionais e a anlise do desempenho.

Carrijo (2004) afirma que as formas de se operar um sistema de abastecimento de gua

so muito variadas e dependem de vrios fatores, tais como a dimenso e complexidade do

10

sistema, a experincia dos operadores, a disponibilidade de equipamentos apropriados para

comunicao, para comando de estruturas de controle e para clculos e a disponibilidade de

modelos matemticos para anlises das informaes. Ele acrescenta ainda que no se devem

esquecer outros aspectos igualmente importantes: a segurana, a confiabilidade e os custos

operacionais.

H ainda outros aspectos a considerar. O consumo (demanda) que varia de forma

aleatria, possveis falhas ou remoo do servio de um ou mais componentes

eletromecnicos do sistema (tubulaes, bombas, vlvulas, etc.), quantidade de gua

disponvel nos reservatrios para suprir o aumento dirio ou semanal das demandas e a

qualidade da gua a ser distribuda ao consumidor.

Para atingir-se um estgio de excelncia operacional, a concessionria dos servios

deve promover a adoo de diversas medidas estruturais e institucionais adequadas. E isso

no tarefa fcil. H necessidade de equipamentos tecnologicamente apropriados e pessoal

tcnico devidamente capacitado. O organograma administrativo deve permitir o perfeito

funcionamento dos setores de operao e manuteno e sua inter-relao satisfatria entre os

nveis hierrquicos, bem como com outras reas da gesto, como a comercial e a de

tratamento. Neste ltimo aspecto, como bem assinala Francato (2002), alguns pontos podem

ser notados. No h uma interao maior entre as reas de projeto e as de manuteno e

operao, de modo que muitos problemas poderiam ser solucionados. Acrescenta que no h

cuidado tcnico com as atividades de manuteno, de modo que, so realizadas, por exemplo,

reabilitaes e no h o devido cadastro nem consulta prvia a respeito das consequncias

operao. O ltimo ponto e no menos importante refere-se falta de condies tcnicas de

trabalho para a rea de manuteno, que muitas vezes limita-se a receber informaes de

usurios e tentar solucionar a falta de gua e no agir na elaborao de normas e regras

operacionais.

Um dos grandes empecilhos para a gesto operacional a falta de informao tcnica

a respeito das unidades operacionais. Ainda quando a mesma existe, na maioria das vezes, no

h um fluxo satisfatrio de comunicao, permitindo a sua atualizao constante e a sua

disponibilizao multilateral pelos vrios setores usurios. Assim, diversas alteraes

(expanso de rede de distribuio, mudana de dimetros de redes, substituio de tubos,

instalao de vlvulas, substituio de motores com melhor rendimento, interligao de zonas

de presso, etc.) so realizadas no sistema e muitas vezes no se sabe como disponibilizar essa

informao. Como exemplifica Francato (2002), em sistemas de pequeno porte, comum

11

algum servidor ter memorizado em sua mente determinadas informaes referentes aos

sistemas que no h em qualquer outro lugar.

Na operao de SAA, sempre se trabalha com previses. A deciso atual tomada

para um momento futuro. Assim, quanto maior for o nvel de informao sobre o sistema,

melhor dar-se- o processo operacional. Verifica-se que o trabalho, no setor de operaes, em

um sistema de abastecimento, requer decises eficientes e em tempo real. A aplicao de uma

regra operacional inadequada pode ser desastrosa para a operao do sistema.

De acordo com Carrijo (2004), o controle das vrias unidades integrantes de um

sistema de distribuio de gua pode ser feito isoladamente ou atravs de uma central

(controle local). Para Tardelli (1987), o controle isolado pode ser feito de trs formas

diferentes: manual, automtica no programada e automtica programada. Na primeira, o

operador maneja a estrutura de controle em funo do estado local do equipamento e anota os

dados operacionais e de consumo. A segunda forma acontece, por exemplo, nos casos de

reservatrios controlados por bias e elevatrias comandadas por pressostatos, exigindo a

necessidade de parmetros definidos pelos planejadores para acionamento dos dispositivos de

controle. Na terceira forma, o comando do controle efetuado atravs de redes ou de

controladores lgicos programveis (CLPs) que contm microprocessadores capazes de

adquirir e analisar dados e comandar um processo de emisso desses, permitindo uma maior

complexidade de regras operacionais, que podem incluir critrios mais flexveis, alm de

limites mximos e mnimos adotveis.

J no controle centralizado, as decises so emitidas por uma unidade central

especfica, geralmente denominada de centro de controle operacional. A forma mais simples

aquela em que o operador de uma unidade do sistema obedece a comandos do centro de

controle e transmite os dados operacionais a este centro (CARRIJO, 2004).

A elaborao e a implantao de um sistema de suporte para tomada de decises no

controle operacional de sistemas de abastecimento de gua apresentam-se como etapas

necessrias a serem adotadas pela concessionria. A operao exige uma metodologia. Regras

devem existir. Apenas a experincia dos operadores no suficiente para os critrios de

deciso. Atualmente, existem diversas ferramentas que so usadas como apoio elaborao

das regras decisrias. Uma delas a modelagem hidrulica computacional seguida da

simulao. Outra a automao das unidades do sistema controlada por um sistema

supervisrio.

12

Quanto mais complexo for o sistema de abastecimento, mais sofisticado dever ser o

sistema de suporte deciso (SSD). Porm, independente do porte, possvel a elaborao de

um plano operacional com regras bsicas, adaptadas realidade local.

Outro ponto a considerar, refere-se ao sistema de informaes geogrficas (SIG), que

se apresenta como uma boa ferramenta complementar para o gerenciamento e operao de

SAA. Porm, seu uso tem sido restrito pela falta de informao histrica dos sistemas. A

maioria dos cadastros de sistemas de gua no conta com informaes tcnico-comerciais

digitalizadas e acopladas a uma base de dados. Em funo disto, a utilizao ainda bastante

limitada, particularmente, para propsitos operacionais.

Alm das ferramentas adequadas montagem do plano operacional, necessita-se que,

dentro do organograma administrativo da concessionria, existam instrumentos

organizacionais que permitam e possibilitem a implantao de medidas que alterem as

prticas gerenciais.

2.2.1 Operao de sistemas de reservao

Normalmente, a operao de reservatrios em sistemas de abastecimento reduz-se

abertura ou fechamento de vlvulas de controle e partida ou desligamento de bombas,

variando as vazes aduzidas. s vezes, altera-se tambm, atravs do manuseio de vlvulas, a

vazo de distribuio, com o intuito do controle de nvel, geralmente objetivando-se aument-

lo. Assim, o controle dos reservatrios, nesses casos, no efetuado com base em dados on

line e na previso de consumo do perodo seguinte, hora ou dia, mas decididas pelos

operadores face s demandas correntes e esto sujeitas aos riscos de extravaso e

esvaziamento dos reservatrios. (TSUTIYA, 2006).

De acordo com Tsutiya (2006), com o objetivo de melhorar a distribuio de gua,

aproveitar ao mximo a capacidade de reservao e dar segurana operacional ao sistema, faz-

se necessrio estabelecer limites operacionais de segurana e regras operacionais para os

reservatrios de distribuio. Assim, sero indicadas as condies que so consideradas ideais

para a operao, cuja variabilidade ocorre tanto na sua amplitude quanto na posio dentro da

dimenso do reservatrio ao longo do ciclo operacional, observando-se o comportamento da

demanda de abastecimento.

Os principais parmetros operacionais dos reservatrios esto indicados na Figura 2.2.

13

A determinao dos limites operacionais consiste no clculo da folga, que a altura

correspondente diferena entre o limite da bia e o limite alto, e corresponde ao acrscimo

de volume entre a emisso do alarme de limite alto e o total do fechamento da vlvula de

controle. O volume nominal a capacidade de armazenamento do reservatrio. J o volume

til a quantidade de gua que realmente se pode utilizar na operao, uma vez que o limite

baixo o nvel mnimo do reservatrio para que no haja, por exemplo, formao de vrtice e

entrada de ar na tubulao de sada.

Figura 2.2 Nveis operacionais de reservatrios e clculo da velocidade de subida do nvel da gua (Adaptado de Ohara e Lacerda, 2002).

O limite alto assume papel fundamental na operao. Ele representa o nvel mximo

do reservatrio para que haja tempo hbil de manobra, evitando que a gua atinja o extravasor

ou que a bia de segurana seja acionada.

De acordo com Ohara e Lacerda (2002), a folga pode ser determinada atravs da

Equao 2.1:

h = Vel * Ttotal (2.1)

Onde:

h folga de segurana;

Vel Velocidade de subida da lmina dgua;

Ttotal = Trec + Tfech * P (%) (2.2)

Onde:

Trec Tempo de reconhecimento do alarme;

Limite Baixo

Limite da Bia

Limite de extravasamento

Limite Alto

Volume

Nominal

Folga t

NA2

NA1

Volume

til

14

Tfech Tempo total de fechamento da vlvula de controle;

P (%) Posio da vlvula de controle.

Para obteno das velocidades de subida do nvel de gua, obtm-se os dados dos

registros da operao. So calculadas em funo da variao do nvel de gua e o intervalo de

tempo em que se deu esta variao. A Figura 2.2 ilustra tal clculo. Naturalmente, a

quantidade e a qualidade das informaes existentes vo interferir no resultado final.

Assim, a velocidade de subida calculada atravs da equao:

Vs = (NA2- NA1)/t (2.3)

Onde:

Vs Velocidade de subida da lmina de gua;

t Intervalo de tempo.

Nos sistemas da Regio Metropolitana de So Paulo (RMSP), operados pela SABESP,

o intervalo de tempo entre o reconhecimento do alarme de limite alto e o incio da atuao da

vlvula foi de 5 minutos (OHARA E LACERDA, 2002).

Em qualquer sistema, a anlise da definio dos limites operacionais deve ser muito

criteriosa e especfica para cada reservatrio. Por exemplo, em algumas situaes, o limite

baixo no vai ser escolhido a partir dos critrios de segurana (surgimento de vrtice,

acumulao de ar), mas, sim, a partir da cota topogrfica mnima a atender, uma vez que pode

ter havido expanso desordenada do sistema e o nvel mnimo no mais atender a

determinadas regies.

Portanto, para a implantao de regras operacionais, inicialmente a metodologia deve

definir quais os objetivos a atingir. Para Secco (2006), a base para definio das regras

operacionais a maximizao da utilizao da capacidade de reservao de cada setor.

Naturalmente, deve-se considerar a sazonibilidade da demanda e identificar-se o histrico de

consumo da regio.

Para a RMSP, por exemplo, os objetivos principais foram: reduo do custo com

energia eltrica do sistema bombeamento-reservao; regularizao da vazo de aduo e

aumento da confiabilidade do sistema (SECCO, 2006).

15

2.3 Automao e sistemas SCADA

Buscando adaptar-se a uma nova realidade tecnolgica, h uma tendncia de que o

controle de sistemas de abastecimento seja a partir de um centro de controle, sem a

participao de operador local. Isso ocorre com a utilizao de mecanismos automticos tanto

no auxlio de controle de processos simples como no controle de grandes sistemas.

Para Bezerra e Silva (2009), esse processo ocorre atravs da automao, de modo que

se torna possvel a monitorao, o controle e a interferncia nas diversas unidades do sistema,

em tempo real, possibilitando uma melhoria no desempenho operacional, a mensurao de

todas as atividades e a reduo dos custos. De acordo com Tsutiya (2006), a automao em

saneamento bsico consiste em coletar e concentrar as informaes e process-las com o uso

da tecnologia de informao e, com base nos resultados obtidos, atuar, de uma forma

autnoma, sobre os estados e as grandezas para obteno dos resultados desejados.

A automao permite a integrao com diversos outros sistemas como: apoio

manuteno, controle estatstico de processos, gerenciamento da produo e informaes

geogrficas (SIG).

Afirma-se que o principal motivo pelo investimento em automao reside na melhoria

da qualidade do tratamento da gua, na reduo de custos operacionais e controle de perdas

reais e aparentes, alm do aumento da confiabilidade do processo (BEZERRA E SILVA,

2009).

Em qualquer unidade operacional do sistema, pode-se aplicar a automao e com

diversas funes. Por exemplo, na ETA, pode-se realizar a medio contnua de turbidez,

cloro residual, flor, PH e potencial de coagulao. Em redes de distribuio, realiza-se a

medio de nveis de reservatrios, vazes e presses na linha e telecomando de vlvulas de

manobra. Assim, todo o sistema pode ser automatizado ou apenas parte dele.

O processo de implantao da automao depende de altos custos, exigindo da

concessionria um planejamento detalhado, envolvendo estimativa de custos, benefcios,

retorno do investimento, prazos e cronograma. O seu funcionamento exigir uma srie de

recursos: materiais, humanos, financeiros e/ou tecnolgicos.

No controle automtico, classificam-se os seus principais componentes em primrio,

controlador e atuador ou elemento final. O componente primrio converte uma grandeza fsica

como nvel, presso em sinal eltrico padronizado (corrente, tenso, etc.). O controlador

assume a funo de tomador de deciso (exemplo: controlador lgico programvel). J o

16

atuador o dispositivo que altera o processo de acordo com o controlador (por exemplo:

bomba e vlvula).

Dentro do processo de automao, os sistemas de controle normalmente so do tipo

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) Sistema de Superviso e Aquisio de

Dados, que so constitudos pelos seguintes subsistemas (BEZERRA e SILVA, 2009):

Instrumentao (sensores e atuadores): Os sensores so um conjunto de equipamentos

destinados medio de grandezas fsicas ou qumicas e converso dessas informaes em

sinais eltricos ou digitais que possam ser interpretados pelos controladores lgicos

programveis (CLPs) e outros dispositivos de controle. Constitui-se de sensores digitais

(como pressostatos ou chaves de nvel) ou analgicos (como medidores de presso, vazo e

nvel). J os atuadores so equipamentos destinados a agir no processo para mant-lo sob

controle. Inclui uma diversidade de equipamentos como vlvulas, bombas, agitadores,

dosadores e aquecedores, entre outros;

Estaes remotas (aquisio e controle): So as unidades responsveis pela coleta e

transmisso de dados a distncia e so instaladas prximas s instalaes ou equipamentos

monitorados e controlados. Podem ser compostas por uma unidade terminal remota (UTR)

e/ou CLPs. So responsveis pela interface entre o sistema de superviso e controle e os

equipamentos/sensores de campo. O processo de controle e aquisio de dados se inicia nas

estaes remotas (CLP/UTR), com a leitura dos valores dos dispositivos que esto associados

e seu respectivo controle. O CLP um dispositivo fsico eletrnico, baseado em um

microcomputador que desempenha funes de controle de diversos tipos e nveis de

complexidade, dotado de memria programvel capaz de armazenar programas

implementados por um usurio com o objetivo de determinar o estado das sadas, de forma a

controlar um determinado processo, baseado no estado de suas entradas. Quando no sistema

h grande quantidade de controladores ou quando o controlador est muito distante do centro

de controle operacional, necessrio algum meio de comunicao entre o operador e o

controlador. Nestes casos, comumente utilizam-se interfaces homem/mquina locais (IHM),

permitindo a superviso atravs de um display ou monitor de vdeo, com a possibilidade de

modificao de parmetros de controle localmente.

Rede de comunicao: o conjunto de equipamentos e programas utilizados para

propiciar o trnsito de informaes entre os diversos nveis hierrquicos e participantes de um

sistema. O gerenciamento remoto ou acompanhamento de um sistema SCADA geralmente

17

chamado de telemetria. Os meios para trfegos de informaes de um local para outro podem

ser via linha telefnica, ondas de rdio, cabos condutores eltricos, fibras ticas entre outros.

Assim, a rede de comunicao a plataforma por onde as informaes fluem, podendo estas

circularem entre estaes remotas e das unidades remotas aos centros de controle. um

componente de grande importncia para o processo de automao.

Sistema de superviso e controle: um software especializado no controle de

processos que permite apresentar aos profissionais de operao e manuteno, os estados e

valores de variveis de processo, bem como executar comandos e operao distncia por

meio de uma interface visual e simples. Incluem telas de superviso, alarmes, histricos de

operao, grficos e diversas outras ferramentas de operao e anlise do processo.

Normalmente este software chamado de supervisrio, sistema supervisrio, sistema

computacional SCADA, sendo localizado no centro de controle operacional que supervisiona

o sistema.

Assim, a automao de SAA j uma realidade no Brasil, embora haja muito a se

avanar na forma como as concessionrias tratam do assunto. Para Seixas Filho (2006), o

objetivo principal que justifica a automao a gesto. Afirma ainda que, atravs de um

centro de controle operacional, podemos visualizar o histrico de qualquer varivel do

processo. possvel a investigao de um problema ocorrido em uma rea, atravs de um

sintico do historiador, voltando at uma data prxima a um acontecimento de interesse.

Pode-se comparar a energia especfica (kWh por m3) gasta para bombear gua em dois

sistemas semelhantes, mas geograficamente no relacionados, pode-se descobrir quais os

sistemas com maior disponibilidade, que consomem menos energia, que gastam menos

reagentes, enfim que otimizem algum aspecto interessante de sua operao e da gerar

melhores prticas para toda a corporao. Um bom resultado obtido por uma rea deve sofrer

rollout para as demais plantas. O mal resultado deve forar um realinhamento da unidade com

as unidades de referncia (SEIXAS FILHO, 2006).

Atualmente, um dos fatores que contribui para tornar a automao mais acessvel

que o mercado fornecedor de equipamentos para o setor de saneamento est evoluindo

tecnologicamente. Por exemplo, foi substituda a lgica mecnica pela eletrnica, com

aumento de preciso e novas funes que agregam valor aos equipamentos e aos clientes, com

progressiva reduo de preos.

Uma contribuio adicional dos processos de automao a conexo do sistema de

superviso e controle com sistemas corporativos de administrao das empresas. Esta

18

conectividade permite o compartilhamento de informaes importantes da operao diria,

contribuindo para dar maior agilidade e confiabilidade aos dados no momento da tomada de

deciso das empresas, isso sem contar a ampliao da capacidade de planejar melhor todas as

aes das companhias.

Observa-se que diversos sistemas de abastecimento de gua implantados pelo Governo

Federal, (por exemplo, atravs de programas como o Pr-gua na Paraba, h os sistemas

adutores do Cariri e do Congo) so dotados de sistema de automao. Porm, o que se

percebe que muitas das companhias de saneamento no esto preparadas devidamente para

assimilar a automao. No h tcnicos habilitados para atuar no gerenciamento e

manuteno. O pessoal da operao tambm necessita de melhor treinamento. H falta de

equipamentos. Alm disso, no houve reestruturao do organograma administrativo, e o

setor responsvel por esta nova rea, geralmente, aquele responsvel pela manuteno

eletro-mecnica das estaes elevatrias e suas instalaes convencionais. Portanto, h uma

tendncia de subutilizao e at mesmo de inutilizao das estruturas.

Trojan e Kovaleski (2005) elaboraram estudo indicando que a automao pode ser

uma boa ferramenta no combate s perdas fsicas e na melhoria das condies de trabalho nos

sistemas de abastecimento. Analisaram o sistema de abastecimento da cidade de Ponta

Grossa, Paran, com aproximadamente 280 mil habitantes e sob a responsabilidade da

SANEPAR. Eles constataram que com a automao, houve a reduo da presso mdia nas

tubulaes, aumento da rapidez e qualidade nos reparos dessas tubulaes, formao de uma

base de informaes para a criao de programas para novas instalaes e para melhorias no

sistema.

Desta forma, mesmo que o sistema no disponha de automao, qualquer

planejamento para a gesto operacional deve estar preparado para uma adaptao, caso venha

a ser implantada, pois os processos automatizados necessitam de regras bem definidas para

atingirem seus objetivos, independente da existncia ou no de uma ferramenta

computacional que permita a interligao das informaes do SSD, tambm de forma

automtica.

Atualmente, o SACG, objeto do estudo de caso desse trabalho, est passando pelos

servios de implantao do sistema de automao de suas unidades operacionais.

19

2.4 Modelagem

Um modelo a representao de um sistema real. Atravs dele, espera-se simplificar

todos os processos de uma determinada realidade, de modo a extrair informaes e alter-la

posteriormente. Para Tucci (1998), essa representao de um objeto ou sistema deve ser de

fcil acesso e uso. Nos mais diversos campos da engenharia, eles so usados largamente como

ferramentas de apoio deciso. A simulao refere-se ao uso de um modelo para a avaliao

de respostas do sistema submetido a eventos sob um grande nmero de condies e restries.

Muitos dos modelos matemticos elaborados tm sido sugeridos para a soluo de

problemas de abastecimento, tendo como compromisso uma execuo em tempo aceitvel e

que apresente uma acurcia razovel do sistema (JARRIGE, 1993).

Bem assinalando Francato (2002), somente nas ltimas dcadas, perceptvel a

preocupao com a operao de sistemas, especificamente a operao em condies

particulares como o caso de emergncias, situaes de dficit, panes nos sistemas,

racionamento de energia, etc.

Ormsbee e Reddy (1995) relatam que, nos ltimos anos, a modelagem de SAA tem

dado nfase para o uso integrado on-line de computadores e tecnologias de controle para

impor operaes em tempo real. Entretanto, verifica-se que a modelagem dessa operao (em

tempo real) ainda acompanhada de uma modelagem previamente executada.

Assim, os modelos de simulao hidrulica de SAA so ferramentas computacionais

que buscam reproduzir o comportamento real do sistema atravs de equaes matemticas

que representam os processos fsicos ocorrentes, com maior exatido possvel. Eles fazem

uma representao de um sistema para prever os possveis resultados de sua operao sob um

dado conjunto de condies iniciais e de regras operativas.

A modelagem uma ferramenta que tem evoludo ao longo do tempo para ajudar os

projetistas, operadores e gestores na tarefa de oferecer gua com mais qualidade,

confiabilidade operacional e baixo custo operacional.

De acordo com Taha (1987), o sucesso das simulaes em modelagens devido aos

expressivos avanos dos computadores digitais, sendo difcil imaginar o sucesso da simulao

sem o uso do computador.

Os modelos de simulao hidrulica so utilizados para uma grande variedade de

objetivos. Para Walski (2003), as aplicaes so: elaborao de plano diretor a longo prazo,

incluindo previses para desenvolvimento e reabilitao; estudos de combate a incndio,

20

investigaes de qualidade da gua, gesto energtica, projeto de sistemas e operao diria,

com treinamento de operadores e respostas a emergncias e soluo de problemas.

Gaio (2006) classifica em dois grupos as principais aplicaes: planejamento

(incluindo as atividades de elaborao de planos diretores e projetos) e operao propriamente

dita dos sistemas. Na condio de planejamento, podemos relacionar as seguintes aplicaes:

Anlises para preveno do colapso dos sistemas;

Estudos das alteraes necessrias no sistema, quando da introduo de um consumo

significativo;

Avaliaes do perodo de vida til de unidade do sistema existente;

Diviso do projeto em obras e etapas, otimizando-se a aplicao dos recursos

financeiros para investimento;

Estudo da circulao da gua na rede, evitando problemas de qualidade, devido a

pontos mortos no sistema e elaborao dos planos diretores da macro-distribuio dos

sistemas de abastecimento de gua.

No ponto de vista da operao, os modelos so aplicados em diversas anlises, entre

elas:

Anlises hidrulicas como objetivo de identificarem-se problemas de abastecimento;

Anlises hidrulicas como objetivo de identificarem-se problemas de qualidade;

Estudos de eficincia energtica;

Identificao de perdas;

Treinamento dos tcnicos das unidades e anlise hidrulica dos efeitos, na rede de

distribuio, da operao de vlvulas para a interveno de rotina.

Para Francato (2002), a modelagem da operao dos sistemas de abastecimento de

gua visa obter uma poltica operacional. Esta poltica, na viso de Ormsbee e Lansey (1994)

um grupo de regras que agendam e indicam quando os conjuntos motor-bomba devem ser

ligados; quais as porcentagens de abertura das respectivas vlvulas de controle; qual a poltica

de esvaziamento e enchimento dos reservatrios, etc. Desse modo, tais regras so formuladas

para um dado horizonte de planejamento, subdividido em intervalos discretos de operao.

Venturini (1997) acrescenta que a tendncia de se procurar modelos computacionais

para resolver o problema de operao e distribuio devido : complexidade dos sistemas

devido crescente demanda, tornando difcil atend-la com confiabilidade, exigindo assim

uma abordagem sistmica na definio dos planos de operao; altos custos operacionais;

21

investimento em pesquisa nos ltimos anos, especialmente no desenvolvimento de modelos

matemticos de otimizao e simulao, colocando disposio novos recursos de anlise e

apoio deciso; risco de falhas no sistema, induzindo os operadores a tomar decises

operacionais sob tenso; e a perda de conhecimento causado principalmente pela perda de

operadores experientes.

Nesse sentido, Carrijo (2004) afirma que um modelo, reproduzindo o comportamento

do sistema de maneira adequada e possibilitando a definio de estratgias operacionais

timas, mostra-se de grande valia, medida que permite a tomada de deciso pautada em

solues mais analisadas.

No que se refere ao tempo, existem duas possibilidades de trabalho no modelo

simulador. Na primeira, o tempo determinado, ou seja, num instante fixo, quando se dispe

de dados necessrios em um momento, para simular, geralmente, uma condio limite

mxima ou de mnima horria. A segunda trata de um perodo extensivo, ou seja, quando esse

requer a alimentao de dados por uma sucesso de momentos consecutivos.

No uso em sistema de suporte deciso, o modelo simulador trabalha sob as

condies de um perodo extensivo.

So muitas as vantagens e benefcios da utilizao de modelos de simulao.

Apresentam-se as seguintes (ROSSMAN, 2000):

Possibilidade de organizao sistemtica, edio e verificao de erro dos dados de

entrada, exigidos pelo modelo;

Possibilidade de ajuda e visualizao do modo de sada do modelo, como mapas

codificados com cores, lote de sries temporais, histogramas, grficos de contorno e

consultas de meta especfica;

Opo de vinculao com outros softwares, banco de dados, sistemas CAD e SIG;

Capacidade de realizar outros tipos de anlises de rede, tais como o dimensionamento

timo de tubulaes, programao tima de operao de bombas, calibrao

automtica e modelagem da qualidade da gua.

Dessa forma, Barbosa et al. (1999) afirmam que alm dos objetivos econmicos, que

podem ser transferidos como benefcios ao consumidor final na forma de menores tarifas, o

estudo da modelagem da operao de sistemas de distribuio justifica-se por:

a) Contribuir para o adiamento das necessidades de ampliao dos componentes

da rede e/ou do suprimento energtico;

22

b) Permitir um melhor conhecimento sobre as interaes entre os componentes do

sistema, o que pode ser de grande valia para identificar pontos frgeis em termos operativos

ou para definir manobras especiais em condies de emergncia;

c) Contribuir, em longo prazo, para o alcance de uma melhor poltica de uso de

recursos hdricos e energticos, evitando situaes de conflito quando tais recursos se

tornarem escassos.

A simulao difere da otimizao por no apresentar natureza otimizante, mas sim

descritiva.

Todavia, de se pensar que, com um modelo bem construdo, no se exige mo-de-

obra qualificada para manuse-lo. Pelo contrrio, ao adotar-se a utilizao da simulao,

necessita-se cada vez mais de aperfeioamento tcnico de seus operadores para melhor

entender a ferramenta e executar alteraes, principalmente, quando houver ampliaes no

sistema de abastecimento.

Nesse sentido, Vicente (2005) afirma que, embora todos os dados requeridos tenham

sido coletados e inseridos no software de simulao hidrulica, no se pode presumir que o

modelo matemtico uma representao realstica do sistema. O software de simulao

simplesmente resolve equaes de continuidade e energia, utilizando os dados fornecidos, a

qualidade dos dados de entrada determina a qualidade dos resultados.

De acordo com Walski (1983), nos modelos de sistemas de abastecimento de gua, h

duas partes estruturais a considerar: o software responsvel pelos clculos e os dados que

descrevem as caractersticas dos componentes fsicos do sistema, demandas de consumo e

caractersticas operacionais.

Para a construo de um modelo de simulao, diversas etapas devem ser cumpridas.

Rossman (2000) enumera como bsicas as seguintes:

1. Determinao dos questionamentos a serem respondidos pelo modelo. A modelagem

s obter xito se os objetivos a serem atingidos estiverem bem definidos;

2. Representao dos componentes do sistema de abastecimento nos termos adequados

para o modelo computacional funcionar. O modelo s conseguir reproduzir a

realidade se a sua forma de trabalho for plenamente conhecida;

3. Reunio de dados necessrios para caracterizar os componentes includos no modelo.

O modelo s conseguir reproduzir a realidade se todas as unidades operacionais e

seus acessrios forem representados adequadamente. Nem sempre o cadastro tcnico

da redes atualizado;

23

4. Determinao da demanda de gua em toda a rede, dentro de cada perodo de tempo

considerado. Quanto melhor a informao da vazo de consumo, melhores sero os

resultados da modelagem;

5. Caracterizao da forma como o sistema de distribuio operado ao longo do

perodo de tempo analisado. Faz-se necessrio um certo conhecimento prvio da

operao do sistema. Muitas vezes no h regras bem definidas e a experincia do

operador quem define a forma de operar. Assim, preciso transferir tal experincia

para o modelo;

6. Calibraes do modelo com observaes feitas em campo;

7. Execuo do modelo para responder s questes identificadas na etapa 1.

As ferramentas computacionais de modelagem tornam-se indispensveis no dia a dia

da empresa de saneamento, pois auxiliam a gesto dos processos de tomada de deciso atravs

do fornecimento de informaes para os nveis institucional e operacional. Entretanto, muito

importante que esses modelos sejam aplicados criteriosamente para que representem uma

aproximao adequada do comportamento real do sistema (CHEUNG e REIS, 2007).

Porm, a complexidade pode representar quanto esforo necessrio para construir

um modelo especfico (ONEIL e EDWARDS, 1994). Quanto mais complexo o modelo,

maior o tempo e maiores os custos requeridos para a sua construo (SIQUEIRA, 2003).

importante ressaltar que os resultados obtidos por um modelo mais complexo no sero

necessariamente mais prximos da realidade do que as respostas calculadas por outro modelo

mais simples.

2.4.1 Estado da arte em modelagem de SAA

Nos ltimos anos, h uma grande variedade de estudos tcnicos cujos objetivos so o

desenvolvimento de ferramentas de apoio gesto operacional de SAA. Para isso, a

modelagem hidrulica assume importante papel. Todavia, ainda percebe-se que a maioria das

pesquisas ainda no foi implementada, principalmente nos sistemas das cidades de pequeno

porte. Alm disso, a maioria dos modelos desenvolvidos foi aplicada a casos especficos

(COSTA et al., 2010).

H uma tendncia nos trabalhos de modo geral, de utilizar-se um modelo simulador

em conjunto com um modelo otimizador, objetivando a eficincia hidrulica e, na maioria das

vezes, a eficincia energtica (reduo dos custos).

24

Vicente (2005) props um modelo de operao para centros de abastecimento de gua

sustentado por um sistema de suporte deciso para operar a distribuio em tempo real

atendendo a condies / restries hidrulicas com o mnimo custo de energia eltrica. Tal

modelo cria uma interface entre as ferramentas de simulao hidrulica (WATERCAD), de

otimizao (proposto com programao linear), de previso de demanda (baseado em srie de

Fourier) e um sistema SCADA (com o supervisrio SCOA). A interface foi testada e avaliada

a partir de um estudo de caso, aplicado no Sistema Adutor Metropolitano de So Paulo, sob a

responsabilidade da SABESP. Os resultados apresentados na pesquisa atestam a eficincia da

metodologia.

Machell et al. (2010) desenvolveram um estudo com modelagem on-line de sistemas

de abastecimento de gua, utilizando o software Aquis 147. O local de estudo inclui uma rea

de uma cidade de 160.000 pessoas no Reino Unido. Os dados de vazo e presso coletados

(atravs de tecnologias de comunicao GPRS) so enviados com um intervalo de

amostragem de 15 minutos a cada 30 minutos atravs de um sistema SCADA. O modelo on-

line leva apenas um minuto ou dois para executar um ciclo de tempo real em um PC comum.

Um sistema de gerenciamento de dados verifica o status de dados e faz o pr-processamento

antes do uso no modelo. Para demonstrar-se a capacidade do modelo, simulou-se um evento

imprevisto (um hidrante foi aberto) e este foi confirmado por um sistema de alerta de

inteligncia artificial. De acordo com os autores, o modelo permite a identificao de

problemas na rede, de modo a poder solucion-los em tempo hbil e melhor informar os

usurios. Nos modelos on-line, exige-se uma alimentao contnua da vazo e dados de

presso da rede real que est sendo simulada. Alm disso, h grandes investimentos em

tecnologias adequadas.

Devido preocupao atual com a qualidade da gua (inclusive com a atualizao das

normas e legislaes sanitrias) e sabendo-se que ela afetada por diversos fatores na

operao dos sistemas (estado das tubulaes, nveis dos reservatrios, manuteno, perda de

gua, etc.), Sakarya e Mays (2000) incorporaram as funes de qualidade da gua presentes

no Toolkit do EPANET 2 ao mtodo de otimizao do gradiente reduzido generalizado,

GRG2, para encontrar uma combinao horria de uma bomba instalada numa rede hipottica

que viesse minimizar trs diferentes funes objetivo: 1) desvio dos valores de concentrao

das substncias qumicas presentes na gua em relao a valores tolerados de concentrao; 2)

tempo de funcionamento das bombas; 3) custo total de energia eltrica. As restries do

problema foram tratadas pelo Mtodo Langrangiano. A eficincia e a tarifa de energia foram

25

consideradas constantes no modelo. Com essa metodologia, no s as restries hidrulicas

so levadas em considerao, mas tambm as restries de qualidade da gua reguladas pelos

rgos governamentais.

Montenegro (2009) elaborou estudo com o objetivo de apresentar alternativas de

controle operacional na estao de bombeamento de abastecimento de gua do bairro de

Mangabeira em Joo Pessoa (gesto da CAGEPA), proporcionando uma maior eficincia

energtica e hidrulica e a reduo dos custos com energia eltrica. Primeiramente, foi

realizado um diagnstico da configurao atual do sistema, em que se analisou o atendimento

da demanda, o levantamento das instalaes e as condies de operao. A modelagem da

situao atual e das alternativas propostas foram realizadas com o software EPANET 2, de

maneira a comparar as diversas configuraes. Os resultados alcanados mostram que

possvel utilizar apenas uma estao elevatria para a demanda existente, com eficincia

energtica, necessitando apenas o acionamento de mais uma bomba em paralelo no horrio de

pico de consumo.

Pedrosa Filho (2006) desenvolveu um modelo computacional de apoio tomada de

deciso com vistas definio da melhor estratgia diria dos estados das bombas e vlvulas

de um sistema adutor, de forma que resulte na minimizao dos gastos com energia eltrica

(consumo e demanda) e que seja operacionalmente vivel. A metodologia empregada na

busca do timo operacional ao longo de 24 horas, fundamenta-se na tcnica estocstica dos

Algoritmos Genticos Simples, acoplados ao simulador hidrulico EPANET 2. A

aplicabilidade da metodologia proposta foi avaliada por meio de simulaes realizadas no

sistema adutor Mars, responsvel pelo abastecimento de grande parte da cidade de Joo

Pessoa Paraba, considerando diferentes estruturas tarifrias de energia eltrica. O trabalho

apresenta resultados que comprovam a eficcia do modelo proposto em encontrar estratgias

de operao viveis de serem aplicadas a um sistema adutor real com mltiplas estaes de

bombeamento e reservatrios, mesmo sem atender totalidade das restries fsicas e

operacionais inerentes ao sistema.

Barbosa (2001) determinou estratgias simples para operao de bombas em sistemas

de abastecimento de gua, buscando minimizar os custos com o bombeamento, assim como

oferecer diretrizes para o desenvolvimento de um Sistema de Apoio Deciso na operao de

bombas. Foi analisado o comportamento em parte do sistema de abastecimento de Campina

Grande, cujo modelo computacional foi elaborado no software WADISO. Estratgias de

operao foram definidas na forma de nveis de reservatrios de distribuio que determinam

26

os momentos de ligar e desligar cada bomba, durante um perodo de 24 horas. Os resultados

obtidos comprovaram que possvel reduzir os custos com o bombeamento de gua atravs

de estratgias simples de operao, atendendo s restries de vazes e presses mnimas e

mximas, alm das restries operacionais das bombas.

Costa et al. (2010) elaboraram trabalho apresentando um algoritmo gentico hbrido

(AGH) que permite determinar as estratgias de operao para estaes elevatrias com o

objetivo de reduzir os custos energticos. Para isso, props-se a juno entre o Algoritmo

Gentico Simples (AGS), o EPANET (para a simulao da operao) e o AGH. O AGH

(algoritmos reparadores + operadores genticos) teve como objetivo atuar diretamente sobre

as solues infactveis geradas pelo AGS na tentativa de torn-las factveis. A avaliao do

modelo teve, como estudo de caso, o sistema da cidade de Ourm (Portugal). Os resultados

indicam que o modelo AGH-EPANET convergiu cinco vezes mais rapidamente quando

comparado ao AGS- EPANET.

Hernandez et al. (1999) demonstraram a preocupao de considerar as perdas do

sistema na formulao de um modelo de simulao hidrulica. Utilizando o simulador

hidrulico EPANET, os autores desenvolveram um modelo denominado HIPERWATER que

buscava atingir dois objetivos: minimizao de perdas e melhoria no tempo de simulao. O

modelo foi implementado atravs de computao de alta performance (atravs de computao

paralela) e de um modelo de perdas com um modulo paralelo de otimizao visando a reduo

de perdas atravs do controle de presso no sistema. O modelo de minimizao de perdas no

representou grandes contribuies em termos de eficcia hidrulica, porm ficou demonstrado

que, para este tipo de implementao, a computao paralela representava uma eficiente

ferramenta em termos de tempo de processamento.

Com o objetivo de apresentar uma metodologia para a operao tima de sistemas de

abastecimento, Righetto (2002) elaborou modelo computacional composto de modelos

hidrulico e de otimizao.

Almejando a melhoria da operao de um sistema de abastecimento de gua, perante o

alto grau de complexidade imposto pelas restries envolvidas e os objetivos conflitantes,

Lacerda et al. (2008) organizaram um conjunto de regras operacionais simples, baseado no

conhecimento funcional do sistema, para dar suporte operao do Sistema Adutor de Mars,

responsvel pelo abastecimento de gua de grande parte da regio central da cidade brasileira

de Joo Pessoa PB. O conjunto de regras foi desenvolvido de forma a sugerir estratgias de

operao sub-otimizadas as quais foram simuladas no EPANET 2. Os resultados obtidos

27

mostram que o conjunto de regras capaz de sugerir alternativas de operao eficientes para o

sistema e pode ser usado tanto como ferramenta de apoio gesto da operao atual quanto

para anlise de um possvel aumento futuro da demanda.

Lacerda (2009) elaborou metodologia genrica para construo de regras de operao

multiobjetivo de sistemas de abastecimento de gua. Como objetivos da operao foram

definidos: atender demanda de abastecimento, reduzir o custo operacional energtico,

reduzir o nmero de acionamentos/desligamentos das bombas e vlvulas, reduzir as perdas de

gua e recuperar as condies iniciais do sistema ao final de um ciclo de operao. As regras

construdas sugeriram rotinas operacionais estabelecidas de acordo com as caractersticas

topolgicas dos sistemas, seus limites fsicos e hidrulicos, a demanda de abastecimento e os

objetivos de operao envolvidos. A metodologia foi aplicada ao Sistema integrado Adutor do

Cariri, operacionalizado pela CAGEPA, no Estado da Paraba, e os resultados obtidos

mostram que as regras construdas fornecem alternativas de operao consistentes e eficientes

e pode ser usada como uma ferramenta de apoio gesto operacional desse tipo de sistema.

Albuquerque (2007) desenvolveu trabalho onde foram realizados diferentes testes da

aplicao de mtodos de otimizao ao problema de acionamento (horrio timo) dos

conjuntos motobombas do sistema principal de abastecimento de gua da cidade de Campina

Grande, PB. Numa primeira anlise de desempenho, fez-se uso de programaes linear (PL) e

no linear (PNL) e algoritmos genticos (AG), em que foi considerado que as variveis de

deciso pudessem assumir valores fracionrios. Alm de grandes diferenas no tempo

computacional requerido, verificaram-se que mudanas nos valores iniciais atribudos as

variveis de deciso geraram diferentes solues. Numa segunda anlise, voltada apreciao

de mtodos que gerassem variveis de deciso inteiras e binrias, utilizou-se da combinao

de tcnicas de PL e programao linear inteira e o seu desempenho foi comparado com uma

regra de simulao padro. Nesta anlise observou-se uma economia financeira de 20,27% e

de consumo energtico de 16,86% da aplicao do mtodo de otimizao comparado com o

mtodo de simulao padro

Com o objetivo de encontrar estados timos de operao de bombas e analisar os

estados hidrulicos e de qualidade em rede de distribuio de gua, Tomovic et al. (2010)

elaboraram sistema de apoio deciso para o funcionamento do sistema da cidade de Budva,

Montenegro. Para isso, a rede de distribuio do sub-sistema de Podgor-Przno foi modelada

atravs do EPANET e a otimizao realizada atravs do modelo OPREZ e algoritmos

genticos. Os autores criaram metodologia para regime de operao de bombas e

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reservatrios, principalmente no perodo do vero (estao turstica), quando a demanda

aumenta consideravelmente.

Farmani et al. (2007) apresentaram a experincia de desenvolver um SSD para o plano

mestre do sudoeste de Moravia - Repblica Tcheca. O sistema englobou a modelagem

hidrulica, a qualidade da gua e a programao tima de bombas e vlvulas. Um programa

de modelagem on-line foi desenvolvido e instalado no centro de controle operacional, sendo

calibrado para simulaes estticas e de perodos estendidos. O objetivo principal do modelo

on-line proposto a diminuio do custo operacional atravs da otimizao da operao dos

conjuntos motor-bomba.

Ingeduld (2007) desenvolveu estudo de modelagem on-line, com a utilizao do

EPANET e de um sistema SCADA, objetivando obter um sistema de resposta de emergncia,

confirmao de desempenho, resoluo de problemas, melhoria da operao e criao de

cenrios. O estudo de caso foi realizado para a regio sudoeste da Morvia, Repblica Tcheca.

Os principais objetivos da modelagem foram: 1) avaliao do estado operacional do SAA no

presente (ano 2002) e elaborao de cenrios futuros (ano 2015); 2) avaliao do SAA, no

aspecto qualidade; 3) otimizao de melhorias dos mananciais e operao de estaes

elevatrias; 4) avaliao de programa de reabilitao; 5) distribuio principal durante

condies excepcionais. De acordo com o autor, a abordagem adotada permite ao operador

visualizar a operao de todo o sistema, em vez de confiar apenas no feedback de alguns

sensores SCADA instalados na rede, permitindo assim, a identificao de falhas na rede