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Bentley Systems: Modelagem Hidráulica de Sistemas de Abastecimento de Água

Modelagem Hidráulica de Sistemas de Abastecimento de Água

Este artigo tem como objetivo falar sobre a importância e os benefícios da Modelagem Hidráulica para o projeto e operação de sistemas de abastecimento de água.

Primeiramente, é importante definir: o que é Modelagem Hidráulica?

Para começar e abrir nossa mente, é interessante trazer a definição da American Society of Civil Engineers (ASCE, 2000). Segundo a qual a modelagem hidráulica é uma forma de modelagem física utilizado para analisar o projeto e operação de sistemas de engenharia hidráulica. Esta definição faz relembrar que a Modelagem Hidráulica é, na realidade, um fazer antigo da engenharia. E não está só ligado a ferramentas computacionais, sendo também utilizada nos tanques de prova (Figura 1), onde são realizados modelos em escala reduzida para reproduzir a vazão e as características do escoamento. Tais experimento podem trazer suporte à tomada de decisão, como por exemplo para analisar os impactos de uma barragem ou definir o melhor posicionamento de turbinas em uma hidroelétrica.

 

Contudo, quando se fala em Modelagem Hidráulica de sistemas de abastecimento de água, trata-se, em geral, da representação, com uso de ferramentas computacionais, dos ativos físicos que compõem o sistema de abastecimento de água. Nos modelos hidráulicos são definidos os diâmetros das tubulações e seu traçado, características operacionais de bombas, reservatórios e válvulas, etc. são definidos nos modelos hidráulicos. Dentre outros elementos, a partir dos quais, com uso equações hidráulicas, calcula-se, por exemplo, a vazão e a perda de carga nas tubulações, e a pressão de água nos nós do sistema.

Assim, a modelagem hidráulica é uma ferramenta essencial na simulação do comportamento hidráulico de um sistema de abastecimento de água (SAA), a qual tem como objetivo verificar as condições hidráulicas da rede, tais como: vazão, velocidade de escoamento, perdas de carga, pressões estáticas. Com isso, pode-se identificar os pontos críticos do sistema, para assim simular cenários de intervenções que promovam melhoria operacional, tais como reforços na rede, instalação de Válvulas Redutoras de Pressão (VRPs), boosters ou a realização de projetos de setorização.

A qualidade dos resultados obtidos a partir do modelo dependerá significativamente dos dados de entrada do sistema. Uma vez que o modelo deve ser uma representação fidedigna das características físicas.

Para tal, são necessárias que as informações de traçado, material e diâmetro das tubulações contidas no cadastro da rede sejam condizentes com a realidade. Um dos grandes desafios encontrados na prática da modelagem são cadastros pouco precisos. Ou, em alguns casos, a ausência de cadastro da rede, o que, infelizmente, ainda é uma realidade brasileira.

Além disso, informações de topografia do terreno, características operacionais de bombas e reservatórios, e dados de demanda de consumo são outras importantes informações para que se tenha um bom modelo.

Por esta razão, é fundamental que o modelo tenha como base dados obtidos a partir do levantamento de campo e que depois seja calibrado.

Para realizar a calibração do modelo, a comparação dos resultados do modelo com os dados obtidos em campo é necessária. Caso não haja medidores instalados no Sistema de Abastecimento de Água (vazões e pressões) pode-se lançar mão da utilização de medidores portáteis que devem ser instalados temporariamente em pontos estratégicos do sistema para aquisição de dados que norteiem a calibração do sistema. Podem ser utilizados data loggers, equipamentos de telemetria com sistema SCADA ou outras soluções de IoT conectadas a um banco de dados.

A calibração tem como objetivo ajustar parâmetros do sistema cujos valores são fontes de incertezas (rugosidade das tubulações, demandas nos nós, etc.) de tal forma que os desvios entre os dados simulados e observados em campo sejam minimizados. A calibração deve ser realizada com critérios preestabelecidos pois seu uso indevido pode levar a modelos hidráulicos irreais.

A modelagem hidráulica pode ser usada durante o estudo e projeto para o desenvolvimento de redes novas, permitindo que, com muita agilidade e assertividade, sejam simulados diferentes cenários, como por exemplo, diferentes alternativas de traçado e diâmetros de rede, crescimento de demanda de consumo ou diferentes configurações de bombas e reservatórios.  A SABESP, por exemplo, durante os estudos do Sistema São Lourenço utilizou a modelagem hidráulica com WATERGEMs para analisar 100 diferentes cenários de concepção do novo sistema e diferentes formas de integrá-lo ao Sistema Integrado Metropolitano.

REF: https://www.linkedin.com/pulse/solu%C3%A7%C3%B5es-bentley-ajudam-sabesp-em-um-dos-maiores-projetos-guerra/

As simulações feitas no WaterGEMS preveem e avaliam as interferências entre os sistemas, além de fazer simulações para o futuro. Dentre as condições avaliadas nestes diferentes cenários, tem-se:

  1. Variação da demanda de água ao longo dos anos (horizonte de 25 anos);
  2. Avaliação de possíveis crises hídricas futuras;
  3. Sobreposição entre sistemas;
  4. Alternativas para suprimento de demanda;
  5. Abastecimento de uma região maior ou menor pelo sistema;
  6. Avaliação da diferença de pressão entre os sistemas considerando a infraestrutura de ETAs (Estações de Tratamento de Água) e tubulações existentes.

Outro interessante case da implantação da modelagem para a expansão dos sistemas é o Master Plan da Prolagos, subsidiária da AEGEA que é responsável por fornecer serviços de água e esgoto em 5 municípios da região dos lagos (RJ). Dentre os desafios da região, tem-se uma grande população flutuante: durante a temporada turística, a população oscila de 400.000 a quase 2 milhões de pessoas. Com base nos resultados da modelagem WaterGEMS, a Prolagos selecionou um plano de expansão que reduziu o consumo de energia em 59% e gerou uma economia anual de custos de R$ 17 milhões. O projeto melhorou a eficiência da rede e aumentou o indice de abastecimento de água de 91% para 98%.

https://blog.virtuosity.com/prolagos-water-master-plan-for-the-regi%C3%A3o-dos-lagos

Além de auxiliar na concepção de novos sistemas, a modelagem hidráulica é de grande valia na operação e manutenção de sistema existentes. É possível inclusive sua utilização para fins de elaboração de plano de manobra, planos de manutenção, identificação de fugas e redução de perdas. Como exemplo desta aplicação, pode-se citar o caso da SABESP em Diadema que, com a Modelagem Hidráulica integrada à micromedição e sensores precisos, reduziu as perdas de água de 41% para 32%, de maneira que os investimentos realizados serão pagos em 14 anos graças à redução de perdas. Além disso, as melhorias feitas aumentaram a resiliência do sistema e diminuíram casos de falta d’água por falha no sistema. Isto gera importantes ganhos intangíveis como o bem-estar da população e a melhor percepção dos usurários frente ao serviço prestado.

Acesse Aqui o Case !

A figura a seguir resume as diferentes aplicações possíveis da modelagem hidráulica nas diferentes etapas do ciclo de vida do ativo.

Wagner Carvalho (2021)

Um modelo fidedigno permite estruturar um gêmeo digital, ou seja, uma representação virtual capaz de precisamente representar os ativos físicos. Os gêmeos digitais servem como suporte para a tomada de decisão e planejamento ao longo do ciclo de vida dos ativos. Com isso contribuem para que as companhias de água e esgoto gerenciem e operem seus sistemas de modo mais eficiente.

Para o uso do gêmeo digital é necessário que se tenha uma aquisição de dados contínua e em grande volume. Com uma grande quantidade de dados é possível comparar, em tempo real, os resultados teóricos do modelo. Assim como a realidade em campo, o que permite, por exemplo, a identificados vazamentos no sistema.

Uma das operadoras que vêm mais se destacando no Brasil pela implementação de gêmeos digitais do saneamento no Brasil é a AEGEA. Neste vídeo, https://www.youtube.com/watch?v=9JVYhgHd5uE

É apresentado de forma resumida como a AEGEA tem utilizado os gêmeos digitais com a plataforma OpenFlows WaterSight da Bentley para identificação de vazamentos no sistema.

Vale a pena também conhecer o trabalho da AEGEA que foi fnalista da premiação Going Digital Awards in Infrastructure 2022 na categoria Levantamento e Monitoramento. A empresa apresentou ao mundo o maior Mapa 3D da Infraestrutura de Saneamento do Brasil. Por meio do Programa InfraInteligente, foi possível digitalizar as instalações de saneamento do Estado do Rio de Janeiro. O projeto reúne 33 mil ativos físicos, 1.383 plantas, 158 mil fotos e 257 mil avaliações visuais, atingindo 27 municípios.  Assista o vídeo do trabalho finalista da premiação aqui:

https://players.brightcove.net/5209582030001/t50zJOlZh_default/index.html?videoId=6314283109112

ASCE – American Society of Civil Engineers; Hydraulic modeling: concepts and practice. 2000

Autor:  Vitor Tonzar Chaves

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