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5.as Jornadas de Hidráulica, Recursos Hídricos e Ambiente [2010], FEUP, ISBN 978-989-95557-4-7

MODELAÇÃO HIDRÁULICA E CALIBRAÇÃO DO “SUBSISTEMA LEVER – SECTOR NORTE” DA EMPRESA ÁGUAS DO DOURO E PAIVA, S.A.

Hydraulic modeling and calibration of the Sub-System Lever – North Sector, of the Company Águas do Douro e Paiva, S.A.

SÉRGIO DUARTE (1), MÁRIO VALENTE NEVES (2) e RUI BOAVENTURA (3) (1) Mestre em Engenharia Civil, FEUP,

Rua do Dr Roberto Frias, 4200-465 Porto, Portugal, [email protected] (2) Professor Associado, FEUP,

Rua do Dr Roberto Frias, 4200-465 Porto, Portugal, [email protected] (3) Investigador Principal, FEUP,

Rua do Dr Roberto Frias, 4200-465 Porto, Portugal, [email protected])

Resumo

Desde 1995 que a AdDP, Empresa Águas do Douro e Paiva S.A., detém a concessão do abastecimento de água em alta à região do Grande Porto, incluindo vários municípios do Vale do Sousa, através de uma vasta rede de produção e distribuição. O centro nevrálgico do vasto sistema de produção e distribuição em alta é o Complexo de Lever, onde se faz a captação, tratamento e elevação da maior parte da água distribuída. Este complexo alimenta directamente o subsistema Lever, dividido em dois sectores, um dos quais, o “Subsistema Lever – Sector Norte”, constitui o objecto de um trabalho de I&D cujas linhas gerais aqui se resumem.

O artigo descreve a construção do modelo hidráulico deste subsistema com o software EPANET 2.0, a partir da realidade existente, a sua calibração, bem como os resultados de algumas simulações.

Esse modelo computacional permitiu quantificar a rugosidade das condutas, coeficientes de perda de carga em acessórios, lei de vazão das válvulas reguladoras de caudal e curvas características de bombas. Na calibração foram utilizados dados fornecidos pela AdDP relativamente à topologia das redes, bem como registos de caudais e de pressões.

Palavras-chave: EPANET, simulação hidráulica, calibração de modelos.

Abstract

Águas do Douro e Paiva, SA is the water company that supplies the large Oporto metropolitan area since 1995. The main water origin is the Douro River, that is then treated at Lever complex and transported to several important storages and distribution tanks by a large main network divided in two sectors. The hydraulic modelling and calibration of the North Sector was the goal of a R&D project that will be briefly described here.

This article explains how the hydraulic model was built using EPANET 2.0 and how it was calibrated according to logged data. In most cases it was possible to calibrate pipe roughness, head-losses in accessories, flow control valves and pump characteristic curves.

Keywords: EPANET, hydraulic modeling, model calibration.

1. O Sistema Adutor

A empresa Águas do Douro e Paiva (AdDP) é concessionária do abastecimento de água “em alta” a um conjunto de 19 municípios, identificados na Figura 1, servindo cerca de 1 700 000 habitantes.

Outras características do sistema adutor, esquematizado na mesma figura, estão referidas no Quadro 1.

O sistema está dividido em dois subsistemas: no litoral, abastecendo a maior parte da população, o Subsistema de Lever, e mais para o interior, o Subsistema do Vale do Sousa.

O primeiro está por sua vez dividido nos sectores Lever- Norte (a norte do Rio Douro) e Lever Sul (a sul do mesmo). A norte são abastecidos os concelhos do Porto, Matosinhos, Maia, Valongo, Gondomar e Paredes, e a sul os de Vila Nova de Gaia, Espinho, Ovar, Santa Maria da Feira, S. João da Madeira, Oliveira de Azeméis, Vale de Cambra e Arouca.

Por sua vez o subsistema do Vale do Sousa abastece os municípios localizados no vale desse rio, como Felgueiras, Lousada, Paços de Ferreira, Paredes e ainda, no vale do Paiva, Castelo de Paiva e Cinfães. As captações para este sector estão localizadas nos rios Ferreira, Ferro, Vizela e Paiva.

Figura 1. Sistema Adutor da AdDP em 2010.

S. Duarte, M. Valente-Neves e R. Boaventura

Modelação Hidráulica e Calibração do “Subsistema – Lever – Sector Norte” da Empresa Águas do Douro e Paiva, SA

Quadro 1. Elementos sobre o Sistema Adutor da AdDP em 2010.

População 1 700 000 hab.

Municípios Clientes 19

Volume de água distribuída 105 milhões m3

Extensão 454 km

ETA’s 4

Reservatórios 31

Qualidade da água 99,94% em conformidade

No âmbito das actividades de I&D da empresa foi celebrado um protocolo com a Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto visando um estudo do Sector Norte do Sub-Sistema de Lever, cujo esquema se mostra com mais pormenor na Figura 2.

Foi decidido que numa primeira fase se trabalharia com o programa EPANET, com capacidades largamente demonstradas que permitem, após calibração, a simulação do funcionamento hidráulico do sistema para, mais tarde, se fazer uma actualização para soluções mais sofisticadas de gestão em tempo real.

2. Metodologia do Projecto

2.1. Ferramentas e faseamento

EPANET é um programa de computador que permite realizar simulações estáticas e dinâmicas do comportamento hidráulico e da qualidade da água em órgãos fundamentais dos sistemas de abastecimento, tais como, captações, adutoras, reservatórios e redes distribuidoras “em baixa” - Loureiro e Coelho (2004).

Constitui, por isso, uma ferramenta muito útil a produtores e distribuidores de água, no sentido de potenciar melhorias dos níveis de serviço em várias vertentes. Do ponto de vista do comportamento hidráulico permite, nomeadamente, obter os caudais, velocidades, perdas de carga e pressões em qualquer secção da rede, bem como curvas características de bombas, válvulas, etc. Como tal, pode ser utilizado para estudar e melhorar o desempenho hidráulico de um sistema, ao nível do projecto, da operação ou da análise de cenários de emergência como, por exemplo, combate a incêndios e vulnerabilidade face a falhas de elementos do sistema. O programa pode ainda ser utilizado na análise de planos estratégicos de desenvolvimento, ajudando a tomada de decisões sobre várias matérias, tais como, alteração de origens de água, modificação do funcionamento operacional de grupos elevatórios e reservatórios, etc.

Figura 2. Sector Norte do Sub-Sistema Lever.

Ligação ao subsistema Vale do Sousa


Os resultados das simulações podem ser visualizados em vários formatos, incluindo mapas com códigos de cores, tabelas, gráficos, perfis de condutas, isolinhas e outros.

Concretizando, é possível, por exemplo:

• Editar informação relacionada com a descrição da rede

e dos cenários a analisar;

• Executar simulações hidráulicas, aferir o modelo e

visualizar os resultados em vários formatos;

• Executar simulações relacionadas com a qualidade da

água (embora esse aspecto não seja contemplado no

presente trabalho);

• Ter disponíveis, para análise imediata, mapas da rede

elaborados, por exemplo, com códigos de cores, e

produzir tabelas com a informação pretendida;

• Desenhar gráficos em séries temporais, frequências,

etc.;

• Produzir relatórios específicos para ajuda à decisão.

O projecto foi desenvolvido de acordo com um faseamento, que se passa a descrever.

2.1.1. Recolha de informação e definição do âmbito do projecto

Inicialmente foi feita uma recolha dos dados necessários para introduzir no programa, quer relacionados com as características físicas das condutas, reservatórios, bombas, derivações, etc., quer registos de volumes e pressões.

Parte da informação encontrava-se em plataforma SIG, tendo sido consultadas shapefiles, ficheiros CAD com telas finais e ainda fichas com resumos da informação.

Ocorreram algumas dificuldades, principalmente associadas a cotas das câmaras de visita (CV), relação entre as mesmas e pontos de entrega (PE), localização dos medidores de volumes e de pressão.

Daí a necessidade de visitar alguns locais para interpretação de alguns esquemas.

Com base nestas informações foram seleccionadas as adutoras com dados já disponíveis para serem calibradas.

2.1.2. Tratamento e carregamento dos dados no EPANET

Seguiu-se o tratamento de dados como, por exemplo, a obtenção de caudais a partir de registos de volumes de água, e o seu carregamento no EPANET. Para tal, os acréscimos de volumes, medidos de 10 em 10 minutos, foram divididos por esse intervalo de tempo.

2.1.3. Calibração do modelo

Depois dos modelos de simulação estarem prontos a funcionar, passou-se à sua calibração para quantificação de parâmetros fundamentais, de modo a proporcionarem uma boa aproximação entre os resultados das simulações e as observações de campo, para uma gama tão alargada quanto possível de condições operacionais.

As variáveis calibradas foram, essencialmente, a rugosidade das condutas, as perdas de carga em acessórios, a lei de vazão de válvulas reguladoras de caudal e as curvas características de bombas.

2.1.4 Simulação do comportamento hidráulico

Uma vez calibrado o modelo fizeram-se simulações do comportamento hidráulico do sistema adutor para obtenção, nomeadamente, de caudais, velocidades e, ao longo da conduta, avaliação das pressões máximas e mínimas, capacidade de transporte, etc.

2.2. Metodologia geral de calibração

As situações encontradas para as várias condutas nem sempre foram as mesmas. Por exemplo, nalguns casos dispunham de válvulas reguladoras de caudal, ou bombas hidráulicas, mas noutros tal equipamento não existia. Assim, as metodologias de calibração tiveram que ser adaptadas a essas situações, estando explicadas na ficha elaborada para cada conduta para memória futura da informação mais relevante.

De um modo geral partiu-se do conhecimento dos caudais e das pressões registados ao longo das condutas, que conduziam às perdas de carga em cada troço. Nos casos mais completos, com consideração de singularidades e válvulas de regulação de caudal, essas perdas de carga foram consideradas como a soma de três parcelas:

a) Perda de carga principal, ∆Hp

Trata-se da perda de carga devida à rugosidade da conduta, ou seja,

∆Hp = jL [1]

em que L representa o seu comprimento e j a perda de carga unitária, que o EPANET permite determinar através de três alternativas. No caso presente escolheu-se a fórmula de Darcy-Weisbach, com uma rugosidade dos tubos (necessária para determinar o factor de resistência) inicialmente fixada com os valores dos catálogos, e depois afinada por aproximações sucessivas.

b) Perdas de carga singulares em vários acessórios da conduta,

∆Hs=KsU2

2g [2]

Os valores de Ks foram inicialmente retirados do manual do EPANET, sendo iguais a:

• tês – 0,6;

• cones de redução – 0,018;

• válvulas borboleta abertas – 0,2.

Estes valores foram posteriormente ajustados durante a calibração.

c) Perdas de carga nas válvulas,

∆Hv=KvU2

2g [3]

em que Kv depende do grau de abertura da válvula.

Conhecidas as cotas topográficas e as pressões em duas secções, logo, as respectivas cotas piezométricas, a sua diferença corresponde à perda de carga nesse troço de conduta para o caudal em apreço.

Essa perda de carga é a soma das três parcelas a), b) e c).


Como há elementos para calcular as duas primeiras, é possível determinar a perda de carga na válvula para esse caudal e, consequentemente, o valor de Kv. O cálculo foi efectuado para diversos caudais, obtendo-se os valores de Kv e, consequentemente, a lei de vazão das válvulas, fazendo-se depois uma afinação final de todo o sistema.

Nalgumas condutas houve que considerar bombas hidráulicas, tornando-se necessário determinar as curvas características das mesmas. A metodologia utilizada escapa um pouco a estas considerações gerais, pelo que o assunto será retomado nos casos em que tal acontece.

2.3. Aplicação do modelo EPANET

A metodologia explicada foi transposta para o EPANET conforme se passa a descrever. Com esse programa determinou-se inicialmente um valor da pressão (pjcalculada) num ponto de medida, considerando, apenas, a perda de carga principal,

pj(calculada) = zm – zj – ∆Hp [4]

em que zj e zm representam as cotas piezométricas nesse ponto e na secção de montante do troço em estudo.

Uma vez que existem registos da pressão (pjreal) é possível determinar o somatório das perdas de carga localizadas do seguinte modo,

∆Hl = pj(calculada) - pj(real) [5]

A perda de carga localizada engloba as singularidades ao longo da conduta e na válvula, pelo que, conhecidas as velocidades (através do EPANET) e os KS, facilmente se determina Kv para o caudal em questão.

Repetindo para vários caudais é possível deduzir a lei de variação de Kv em função dos mesmos e utilizá-la em futuros cálculos.

3. Conduta Jovim – Nova Sintra II

A conduta Jovim – Nova Sintra II, construída em 2009, é das mais recentes do sistema adutor, tendo vindo substituir a antiga ligação que se efectuava através de duas condutas paralelas. Sendo mais recente, existiam bastantes dados acerca de singularidades e, por isso, foi possível introduzir mais pormenores na sua modelação. A conduta tem cerca de 10 km de comprimento e é de ferro fundido dúctil com diâmetro de 900 mm. Devido à proximidade ao Rio Douro, como se pode ver na Figura 3, há acentuadas diferenças nas cotas topográficas.

Figura 3. Planta da conduta Jovim- Nova Sintra II.

O reservatório de montante, em Jovim, tem soleira à cota 134,4 m, mas a conduta percorre cotas inferiores a 5 m junto ao rio, chegando ao reservatório de jusante, em Nova Sintra, à cota aproximada de 90 m.

Foram referenciados os seguintes elementos, susceptíveis de criar perdas de carga localizadas:

• 3 válvulas-borboleta e 1 válvula de retenção;

• 45 tês (em derivações, 18 descargas de fundo, 17

ventosas e entradas de homem);

• 4 cones de redução.

As medições existentes eram, à época, o registo de volumes e de pressão no ponto de entrega PE352 (chegada a Nova Sintra), bem como as cotas da água no reservatório de Jovim, pelo que se pôde determinar a perda de carga na conduta para cada caudal.

Seguiu-se a metodologia de calibração atrás descrita, considerando-se a rugosidade equivalente dos tubos de FFd igual a 0.1 mm, tal como geralmente sugerem os fabricantes.

Desta forma, e após várias simulações, foi possível obter os pontos representados na Figura 4, através dos quais se deduziu a equação 6 que relaciona a perda de carga introduzida pela válvula e o respectivo caudal (expresso em L/s), ou seja,

Kv = 15900 e-0,019Q [6]

Com esta ferramenta torna-se possível quantificar o coeficiente a introduzir no EPANET para qualquer caudal e, a partir daí, fazer qualquer simulação.

Figura 4. Representação de Kv em função do caudal .

4. Conduta Ramalde – Cabanas - Pedrouços

Conforme mostra a Figura 5 o reservatório de Ramalde alimenta duas condutas adutoras, uma construída em 1976 e outra em 1999.

A mais antiga é em betão, DN 1250, PN 16, e a mais recente em ferro fundido dúctil, DN 1200, PN 16. Presentemente, a mais antiga funciona como reserva operacional e em situações de emergência.

Por isso foi dada prioridade ao estudo da conduta mais recente, a qual, tendo início no reservatório de Ramalde, funciona como um eixo de distribuição para todo o sector. Termina no reservatório de Pedrouços, abastecendo também a região oeste a partir de uma derivação em Cabanas (Figura 6).

0

100

200

300

400

500

600

700

0 100 200 300 400 500

Kv

Caudal (L/s)


Figura 5. Pormenor das duas condutas que saem de Ramalde.

Figura 6. Pormenor da derivação para leste em Cabanas.

Ao longo da conduta existem medições de volumes e pressões em PE370, PE371, PE375, PE380, PE420, PE425 e PE427 (os valores da pressão em PE370 foram registados em ficheiros DBF).

A calibração foi realizada com os dados relativos à última semana de Outubro de 2010, indicados no Quadro 2.

Quadro 2. Resumo dos caudais e pressões médios na última semana de Outubro de 2010.

PE 370 371 375 380 420 427

25 Q 0 64.58 79.79 79.5 15.53 19.19

P 29.36 29.44 67.62 67.63 94.88 27.79

26 Q 0 66.58 77.1 77.14 15.48 11.63

P 28.63 28.65 66.06 66.22 91.91 26.26

27 Q 0 67.9 78.26 78.41 16.27 15.6

P 29.66 29.77 67.65 67.65 95.18 28.06

28 Q 0 67.58 76.78 76.4 15.83 15.57

P 29.35 29.47 67.62 67.62 94.42 27.27

29 Q 0 69.41 77.77 71.97 14.97 13.67

P 29.72 29.6 67.63 67.64 95.78 28.73

30 Q 0 53.66 76.88 76.71 16.43 18.28

P 29.26 29.29 67.65 67.66 95.1 28.02

Considerou-se que os níveis nos reservatórios eram os do Quadro 3 e calibrou-se a válvula à chegada a Pedrouços.

Quadro 3. Níveis considerados nos reservatórios (m)

Reservatório Nível (m)

Ramalde 3.5

Pedrouços (antigos) 4

Pedrouços (novos) 2

A válvula à chegada a Pedrouços foi calibrada conforme se explicou na metodologia geral, com os resultados apresentados na Figura 7, expressos pela seguinte expressão

Kv=9725e0.003Q [7]

Conhecida esta lei foi possível determinar as pressões em cada ponto de medição e compará-las com os valores observados, sendo o resultado satisfatório, conforme mostra a Figura 8.

Figura 7. Calibração da válvula de regulação de caudal.

Figura 8. Pressões calculadas vs. pressões medidas (conduta Ramalde – Cabanas – Pedrouços).

Apenas no PE375 há uma pequena discrepância uma vez que aí existe um outra válvula que regula o caudal necessário para abastecer a zona este, estando por isso a abertura desta válvula dependente de um grande número de variáveis.

Outras melhorias poderão ser conseguidas pela consideração das perdas de carga localizadas, bem como a variação dos níveis no reservatório.

300350400450500550600650700750800

700 800 900 1000 1100

Pa

râm

etr

o d

e c

on

tro

lo,

Kv

Caudal. Q (L/s)

0

20

40

60

80

100

120

140

0 50 100 150

Pre

ssã

o m

ed

ida

(m

ca)

Pressão simulada (mca)


5. Conduta Pedrouços – Rotunda AEP - Freixieiro

Esta extensa conduta tem início no reservatório de Pedrouços, segue para oeste até à Rotunda AEP e depois para norte, até ao Freixieiro.

O primeiro troço, com cerca de 7,8 km e construído em 1998 com ferro fundido dúctil da classe PN 16, tem diâmetros variáveis entre 600 e 1200 mm. O segundo troço, com aproximadamente 6,6 km (uma parte construída em 1990 e outra em 2005), tem diâmetro de 600 mm, sendo maioritariamente em ferro fundido dúctil da classe PN 25, embora com curtos troços em aço.

Ao longo da conduta existem vários pontos de medição de volumes e pressões. A calibração foi efectuada para o dia 11 de Abril de 2010, considerando as válvulas mas, neste caso, sem contabilizar as perdas de carga localizadas. Uma vez que o troço em aço só tem cerca de 30 m, considerou-se uma rugosidade uniforme de 0.1 mm, enquanto as válvulas foram consideradas abertas, com KV = 0,2.

Como se pode observar no Quadro 4 e na Figura 9 os resultados da simulação são muito próximos dos valores registados e a aproximação seria ainda melhor caso se tivessem considerado as perdas de carga localizadas. A diferença percentual só num ponto chega a atingir 17%. Trata-se de uma derivação onde uma válvula origina uma perda de carga localizada, o que explica a diferença na simulação.

Quadro 4. Pressões registadas e pressões verificadas no modelo.

Pontos de

Entrega

Pressão medida (mca)

Pressão no modelo (mca)

Diferença (mca)

Variação %

PE440 45.78 49.48 3.69 8.06

PE450 45.23 50.88 5.65 12.49

PE460 48.429 55.47 7.05 14.56

PE465 66.21 69.72 3.51 5.31

PE490 108.29 90.2 -18.09 -16.71

PE540 89.70 94.35 4.64 5.17

Figura 9. Comparação das pressões fornecidas pelo modelo com as pressões medidas.

Note-se que, admitindo que a válvula à entrada do reservatório não se encontra totalmente aberta, os resultados ainda melhoram, conforme mostra o Quadro 5, para o qual se considerou KV = 100.

Quadro 5. Pressões do modelo e pressões registadas, considerando a válvula parcialmente fechada (parâmetro de controlo igual a 100)

PE

Medição (mca)

Simulação (mca)

Diferença (mca)

Variação (%)

PE440 45.79 46.21 0.42 0.92

PE450 45.23 47.62 2.39 5.28

PE460 48.42 52.21 3.79 7.83

PE465 66.21 66.46 0.25 0.38

PE490 108.29 86.94 -21.35 -19.72

PE540 89.71 91.09 1.38 1.54

5.1. Parâmetros de funcionamento

5.1.1. Caudais

Os caudais máximos em cada PE no dia 11 de Abril de 2010 são os indicados no Quadro 6. Se fossem simultâneos, ao reservatório de Pedrouços seria pedido um caudal de 1540 L/s.

Quadro 6. Caudais máximos registados em cada PE no dia 11 de Abril de 2010.

PE Q (L/s)

PE440 – CV20 42.9

PE450 – CV70 75

PE455 – CV80 12.9

PE460 – CV90 25.4

PE465 – CV120 62.3

PE485 – CV170 70

PE490 – CV190 223.3

PE495 – CV220 183.3

PE500 – CV260 60.83

PE505 – CV280 123.33

PE510 – CV300 250

PE515 – CV290 35

PE540 – CV190 123

PE540 – CV190 256

5.1.2. Velocidades

Para o mesmo cenário a velocidade será máxima no troço 6246T23, ou seja, na chegada ao Freixieiro, alcançando 3.0 m/s. Isto deve-se ao facto de se tratar de um troço com menor diâmetro, pois no troço imediatamente a montante apenas se verificam 1.3 m/s.

Naturalmente que a velocidade mínima ocorre nas derivações em que não há saída de caudal, logo a velocidade é nula. Exceptuando esses casos encontra-se 0.1 m/s no troço 6246T9, isto é, entre a CV60 e a CV80, para um caudal de 12,9 l/s.

5.1.3. Pressões

A Figura 10 mostra um esquema dos perfis longitudinais das duas condutas. Em situações normais as pressões máximas ocorrerão em regime hidrostático, pelo que os valores mais elevados se verificam na conduta Rotunda AEP – Freixieiro, podendo atingir 160 mca.

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120

Pre

ssão

forn

ecid

a p

elo

mod

elo

(mca

)

Pressão Medida (mca)

Como é sabido, pressões elevadas potenciam mais avarias e maiores perdas de água.

Figura 10 – Perfil longitudinal das condutas.

6. Conduta Monte Pedro – Feiteira - Rebordosa

Conforme mostra a Figura 11 existe um primeiro troço, gravítico, com início no reservatório de Monte Pedro (soleira à cota 249 m) e final na estação elevatória de Feiteira. Trata-se de uma conduta construída em 2004 em FFd PN 16, com DN 500 nos primeiros 7 000 m e DN 400 nos restantes 2 700 m.

A estação elevatória está equipada com três grupos electrobomba em paralelo, de velocidade variável.

Figura 11. Representação em EPANET das condutaFeiteira – Rebordosa.

Figura 12. Perfil longitudinal das condutas.

O segundo troço é uma conduta elevatória que faz o transporte desde Feiteira até ao reservatório de Rebordosa. Foi construída em 2004 com 1 600 m de extensão, FFd DN 300, PN 16.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 5000 10000

Cotas (m)

Distância (m)

Pedrouços - AEP

AEP - Freixeiro

Piezometrica Q=0

Piezometrica Qmax

0

50

100

150

200

250

300

350

0 2000 4000 6000 8000

Cotas (m)

Distâncias (m)

Monte Pedro Feiteira

Feiteira-Rebordosa (elevatória)

Linha Piezométrica


sões elevadas potenciam mais avarias e

Rebordosa

11 existe um primeiro troço, gravítico, com início no reservatório de Monte Pedro (soleira à cota 249 m) e final na estação elevatória de

se de uma conduta construída em 2004 em FFd PN 16, com DN 500 nos primeiros 7 000 m e DN 400

A estação elevatória está equipada com três grupos electrobomba em paralelo, de velocidade variável.

condutas Monte Pedro –

O segundo troço é uma conduta elevatória que faz o transporte desde Feiteira até ao reservatório de Rebordosa. Foi construída em 2004 com 1 600 m de extensão, FFd DN

Ao longo das duas condutas encontramregistos simultâneos de volumes e pressões: PE400 Valongo, PE401 – Gondomar, PE405 CV290, PE407 – CV10 e PE409

A calibração destas condutas foi diferente das restantes, pelo facto de existir uma estação elevatória. O procedimento adoprimeiro o troço gravítico sob a condição de as pressõesresultantes do modelo serem próximas das registadaFicou-se, assim, com a possibilidade de determinar a cota piezométrica à entrada da bomba.

A cota piezométrica à saída foi determinada pela condição de conduzir a uma grande proximidade entre as pressões medidas e calculadas no modelo, em relação aos pontos PE407 e PE409.

Tornava-se assim possível determinar a altura manométrica em cada dia e a partir daí estimar, após processo iterativo, uma curva característica da bomba de acordo com critérios do EPANET, que admite, por exemplo, uma solução aproximada do tipo,

H = A – B Q2

No Quadro 6 indicam-se os pontos de funcionamento para vários dias e as respectivas curvas também representadas na Fiporque se referem a uma só bomba

Quadro 6. Ponto de funcionamento da bomba em diferentes dias (Outubro 2010) e respectivas curvas característic

Dia Q (L/s) H (m)

25 10.08 55.17

26 5.75 49.35

27 5.63 50.95

28 10.06 55.17

29 8.66 53.73

30 6.92 52.19

Figura 13. Curvas características de uma bomba, para diversas velocidades de rotação. 6.1. Parâmetros de funcionamento

6.1.1. Caudais

No período de simulação, entre de 2010, o caudal máximo verificouL/s, chegando ao reservatório de Rebordosa

15000

10000 12000

Monte Pedro Feiteira

Rebordosa (elevatória)

Linha Piezométrica

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 5 10

Alt

ura

man

omét

rica

(mca

)

Caudal (l/s)

Ao longo das duas condutas encontram-se seis pontos de volumes e pressões: PE400 –

Gondomar, PE405 – CV160, PE414 – CV10 e PE409 – CV70.

ração destas condutas foi efectuada de forma pelo facto de existir uma estação

O procedimento adoptado foi o de calibrar gravítico sob a condição de as pressões

sultantes do modelo serem próximas das registadas. se, assim, com a possibilidade de determinar a cota

piezométrica à entrada da bomba.

A cota piezométrica à saída foi determinada pela condição de conduzir a uma grande proximidade entre as pressões medidas e calculadas no modelo, em relação aos pontos

se assim possível determinar a altura manométrica partir daí estimar, após processo iterativo,

uma curva característica da bomba de acordo com critérios do EPANET, que admite, por exemplo, uma solução

[8]

se os pontos de funcionamento para as respectivas curvas características da bomba,

também representadas na Figura. Os caudais são baixos, bomba.

Quadro 6. Ponto de funcionamento da bomba em diferentes dias e respectivas curvas características.

Curva

H = 73.56 – 0.181Q2

H = 65.8 – 0.4976Q2

H = 67.93 – 0.5358Q2

H = 73.56 – 0.1817Q2

H = 71.64 – 0.2388Q2

H = 69.59 – 0.3633Q2

13. Curvas características de uma bomba, para diversas

Parâmetros de funcionamento

ntre os dias 25 e 30 de Outubro verificou-se no PE400, com 163

, chegando ao reservatório de Rebordosa 131 L/s.

15 20 25Caudal (l/s)


6.1.2. Velocidades

Para o cenário apresentado a velocidade máxima verifica-se no troço imediatamente após a estação elevatória, em que a velocidade atinge 4.17m/s num troço com diâmetro de 200 mm. No que diz respeito aos troços principais das condutas a velocidade máxima é observada no troço elevatório, onde a velocidade atinge 1.85m/s.

Quanto à velocidade mínima, verifica-se no troço desde o reservatório de Monte Pedro até à câmara de visita 6252CV200, onde o diâmetro é de 500 mm e a velocidade 0.67m/s.

6.1.3. Pressões

O perfil longitudinal representado na Figura 12 mostra que em situações normais (regime hidrostático) as pressões não são muito elevadas. O troço compreendido entre as câmaras de visita 6252CV070 e 6252CV220 é o que está sujeito a maiores pressões, ligeiramente superiores a 100 mca.

Quanto às pressões mínimas, em situações normais, também não constituem motivo de preocupação.

Contudo, e especialmente no troço com bombagem, há que ter em atenção o fenómeno do choque hidráulico, o que certamente foi considerado no projecto.

7. Conclusões

Foi construído um modelo EPANET para todas as condutas adutoras do Sector Norte do Sub-Sistema de Lever, o que permite efectuar simulações para todo esse sector. A maioria das condutas foi calibrada, particularmente em relação à rugosidade, às perdas de carga localizadas, às válvulas reguladoras de caudal e às curvas características das bombas.

Para cada conduta calibrada foi construída uma ficha com informação sistematizada, indicando as principais características, o traçado sobre imagem de satélite, perfil longitudinal, base de dados relativamente a caudais e pressões, resultados da calibração dos modelos e parâmetros de funcionamento, nomeadamente, caudais, velocidades, perdas de carga, pressões máximas e mínimas e capacidade de transporte.

Um instrumento desta natureza potencia uma série de mais-valias, referenciadas no Quadro 7.

O modelo poderá ser melhorado pela introdução de mais detalhes nos reservatórios como, por exemplo, o de Pedrouços, que funciona tanto como órgão de montante para uma conduta, como de jusante para outra.

Outro acerto seria no modo de funcionamento da estação elevatória da Feiteira, que foi estudada com todas as bombas funcionando em simultâneo.

Também a introdução da conduta de betão Ramalde - Pedrouços, embora funcionando apenas em emergências, seria benéfica para a gestão do sistema, nomeadamente para simulações dinâmicas e gestão em tempo real.

Com um modelo calibrado o programa permite realizar estudos no âmbito de parâmetros hidráulicos (caudal, velocidade, pressão), energéticos, e ainda de qualidade da água, nomeadamente no controlo dos teores de cloro e formação de compostos químicos no sistema.

Quadro 7. Mais-valias do projecto.

Benefícios para a AdDP Descrição

A Diminuição do impacto ambiental da empresa

Possibilidade de redução de perdas de água e de

optimização dos consumos de energia.

B Aumento da segurança do

produto

Menos oscilações de qualidade da água, motivadas por

alterações repentinas de caudal e pressão.

C Melhoria das condições de

segurança e saúde dos colaboradores

Não aplicável.

D Redução de custos

Possibilidade de redução das perdas de água e de

optimização dos consumos de energia.

E Aumento da capacidade de

resposta em casos de emergência

Capacidade de previsão da satisfação de consumos de

água em situações de emergência.

F Aumento do conhecimento científico/técnico interno

Endogeneização das potencialidades e modo de

aplicação do programa EPANET, com possibilidades de “upgrade” para gestão em

tempo real.

G

Antecipação a exigências de legislação, normas,

entidade reguladora/ fiscalizadora, ou outras.

Antecipação a exigências de controlo de pressão por parte

de clientes.

H Melhoria da documentação

do Sistema de Gestão Integrada

Validação ou contributo para melhoria do Sistema de Gestão Integrada, nomeadamente no

que diz respeito aos procedimentos em situações de

emergência (incêndios e roturas, por exemplo).

Essa informação facilita a definição de medidas para um melhor desempenho global, incluindo, por exemplo, a redução de custos a nível energético e de perdas de água no sistema.

Agradecimentos

Os autores agradecem o financiamento da AdDP e a colaboração de vários dos seus técnicos, em especial a Engª Rita Reis, o Eng.º Eduardo Rocha, o Eng.º José Tavares e o Hélder Paiva.

Referências

Lencastre, A. (1996) Escoamentos em pressão – Regime permanente, Hidráulica Geral, Edição do Autor, Lisboa, pp109-160, 972-95859-0-3.

Loureiro, D. e Teixeira Coelho, S. (2004), EPANET 2.0 – Manual do Utilizador, LNEC, Lisboa

Duarte, S., Neves, M. e Boaventura, R. (2011) Relatório final do Projecto de I&D Simulação Hidráulica do Subsistema Lever – Sector Norte” Utilizando o Programa Epanet, Águas do Douro e Paiva, S.A., Porto.

modelaÇÃo hidrÁulica e calibraÇÃo do...

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