2. Abastecimento de Agua (3)

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Unidade II – Abastecimento de Água
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3.6 – Manancial
Os principais tipos de mananciais existentes são : subterrâneo, superficial e água
de chuva.
Os mananciais subterrâneos são constituídos pelas nascentes, minas d’água e
lençóis subterrâneos. Os lençóis subterrâneos podem freáticos ou artesianos. Nos
lençóis freáticos á água se encontra livre, submetida à pressão atmosférica, onde o nível
d’água do poço escavado coincide com o nível do lençól d’água. Nos lençóis artesianos
ou confinados a água se encontra confinada por camadas impermeáveis onde a pressão
geralmente é maior que a atmosférica. Logo, para este tipo de lençol o nível do poço se
encontrará acima do nível do lençol.
Os mananciais superficiais são constituídos pelos córregos, ribeirões, rios, lagos,
represas e etc.
A água de chuva pode ser utilizada como manancial abastecedor, sendo
armazenada em cacimbas, que são reservatórios que acumulam a água de chuva captada
na superfície dos telhados das residências ou a que escoa pelo terreno. A seguir tem-se
uma captação típica de água de chuva.
A tabela 6 a seguir apresenta uma comparação entre os diferentes tipos de
manancial no que se refere aos aspectos qualitativos e quantitativos.
Tabela 6 – Comparação entre os tipos de mananciais
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As águas dos mananciais devem preencher requisitos mínimos de qualidade do
ponto de vista físico, químico e bacteriológico, assim como no que diz respeito aos
aspectos quantitativos.
 3.6.1 – Escolha de um Manancial
O processo de escolha de um manancial deve levar em conta além da qualidade e
quantidade de água disponível, as condições de acesso, a disponibilidade de energia
elétrica, as condições topográficas, a distância ao ponto de consumo entre outros.
3.7 – Captação
A captação é um conjunto de estruturas e dispositivos construídos ou montados
junto à um manancial, para a retirada de água destinada a um sistema de abastecimento.
A escolha do local de captação deve levar em conta os seguintes critérios, de
uma maneira geral :
§ Assegurar condições de fácil entrada de água em qualquer época do ano;
§ Assegurar a melhor qualidade de água do manancial, livre de possíveis fontes
poluidoras;
§ Garantir o funcionamento e a proteção contra danos e obstruções;
§ Favorecer a economia das instalações;
§ Facilitar a operação e manutenção ao longo do tempo;
§ Facilitar a execução das estruturas de captação;
§ Proteger as instalações contra inundações;
§ Nível de segurança contra danos e sabotagens ao sistema.
3.7.1 – Projeto de Captação
Seqüência típica de um projeto de captação :
Definição do
manancial.
Definição do local
de captação.
Definição do tipo
de estrutura de
captação.
função
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3.7.2 – Captação de Águas Superficiais
Os componentes principais de uma unidade de captação de águas superficiais,
que podem existir ou não em função das condições da captação são :
q Barragens ou vertedouros para manutenção do nível ou para regularização da
vazão;
q Dispositivos para impedir a entrada de materiais flutuantes ou em suspensão
na água. No caso de materiais flutuantes (folha, galhos, plantas, e etc.) são
empregadas grades e telas. No caso de material em suspensão (areia e etc.)
são utilizadas caixas de areia ou desarenadores;
q Dispositivos para controlar a entrada de água (comportas, válvulas ou
registros e adufas);
q Canais ou tubulações de interligação e órgãos acessórios;
q Poços de sucção e casas de bombas para alojar os conjuntos elevatórios
quando necessários.
A Figura 10 a seguir apresenta alguns destes elementos :
Figura 10 – Elementos principais de uma captação típica
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Principais tipos de tomada d’agua e estruturas complementares de
captação de águas superficiais
q Dispositivos para manutenção de nível : barragens, vertedouros e
enrocamentos, que são obras executadas em um rio ou córrego, ocupando
toda a sus largura, com a finalidade de elevar o nível a montante para
assegurar submersão permanente das canalizações de captação.
q Dispositivos para armazenar água : barragens de regularização e açudes
que armazenam água em período de estiagem, quando as vazões reduzidas
do curso d’água seriam menores que a demanda do sistema abastecedor.
Similares a barragem de manutenção de nível.
q Dispositivos para retenção de materiais : grades (Figura 11), crivos e telas
(retenção de materiais flutuantes) e caixa de areia (retenção de material em
suspensão).
Figura 11 – Grade de proteção do dispositivo de captação
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Figuras 12 e 12.1 – Caixas de areia ou desarenadores
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q Dispositivos para controlar a entrada de água : destinam-se a regular ou
vedar a entrada de água para o sistema, quando se objetiva efetuar reparos ou
limpezas em caixas de areia, poços de tomada, válvulas de pé ou tubulações.
Figura 13 - Comporta
Figura 14 - Válvula
Figura 15 - Adufa
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q Captações em Canais de Derivação: para grandes e médias vazões em rios
de pequena variação de nível.
q Captações em Barragem de Nível para pequenas e médias vazões :
quando o nível mínimo ou a vazão mínima não atende a demanda. Emprego
de caixa de captação ou caixa de tomada.
Figura 16 - Captações em
Canais de Derivação
Figura 17 - Captações em barragem de nível para pequenas e médias vazões
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q Captações em Barragem de Nível para grandes vazões (ex: 40 m3/s):
quando o nível mínimo ou a vazão mínima não atende a demanda.
q Captações em Poços ou Tubulões: captação em rios para pequenas ou
médias vazões – até 500 l/s.
Figura 18 - Captações em Barragem de Nível para grandes vazões
Figura 19 - Captações em Poços ou Tubulões
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q Captações em Lagos e Represas: emprego de torre de tomada d’água, que
permite a captação em diversas profundidades, pois em lagos e represas a
qualidade da água varia bastante de acordo com a profundidade.
Figura 20 - Captação em lagos e
represas para pequenas vazões
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q Captações direta na margem: quando o nível mínimo do curso d’água é
suficiente para atender a demanda.
Figura 21 – Captações diretas na margem
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Principais fatores a considerar em um projeto de Captação Superficial :
a) Vazões e Níveis do Curso D’água
O estudo de vazões e níveis de um curso d’água é realizado poe métodos
hidrológicos apropriados :
q Métodos baseados em dados pluviométricos (chuvas);
q Métodos baseados em dados fluviométricos (métodos estatísticos que
utilizam medições diretas de vazão e longosperíodos de observação; são
mais precisos que os anteriores).
Principais finalidades do estudo de vazões dos cursos d’água :
q Determinação do tipo de captação :
q Determinação dos níveis máximo e mínimo;
q Dimensionamento das estruturas hidráulicas destinadas a escoar as maiores
vazões (vertedores).
As vazões mínimas e máximas estão sempre associadas a um período de retorno
ou de recorrência (TR) de acordo com o tipo de obra a executar. Para obras de captação
TR varia de 20 a 50 anos.
É necessário a determinação dos níveis mínimo e máximo do curso d’água no
local da tomada d’água, pois :
q A boca de captação deve situar-se sempre abaixo do nível d’água mínimo;
q As estruturas de superfície, motores, casas de bomba etc, devem estar
sempre a uma altura segura acima do nível d’água máximo.
O Tempo de Recorrência para o cálculo do nível d’água máximo segundo a NBR
12213/92 deve ser de 50 anos.
Se Vazão Mínima > Demanda : Tomada Direta;
Se Vazão Mínima < Demanda < Vazão Média : Barragem ou Açude de Regularização;
Se Vazão Média < Demanda : Não é possível utilizar o manancial.
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b) Princípios gerais para localização de tomadas d’água e cuidados a
adotar
q De preferência a tomada d’água deve ser implantada em trechos retilíneos dos
cursos d’água (NBR 12213/92), ou quando em curva, junto a sua curvatura
externa (margem côncava (margem côncava), onde as velocidades da água são
maiores. Evita-se assim os bancos de areia que poderiam obstruir as entradas de
água. Na margem côncava as profundidades são sempre maiores e podem
oferecer melhor submersão da entrada da água. Deve-se sempre que possível
evitar a captação em trecho de curva;
q Nas tomadas d’água deve-se sempre procurar os angulos de 90º e 120º com o
curso d’água, pois são os que carregam menos partículas para o canal (valores
mais usuais);
q Deve-se sempre que possível evitar margens instáveis e passíveis de erosão. Se a
captação for direta deve-se sempre proteger as margens instáveis;
q Sempre localizar a montante dos pontos de lançamento de esgotos e demais
cargas poluidoras;
q As obras de captação devem sempre ficar protegidas da ação erosiva das águas e
dos efeitos decorrentes de remanso e da variação de nível do curso d’água;
q A velocidade máxima de aproximação na entrada das tomadas d’água é de 0,60
m/s para reduzir entrada de material grosso em suspensão no sistema.
c) Material em Suspensão
A areia é o principal sólido que pode causar problema aos equipamentos e partes
móveis da captação ou então causar assoreamento no sistema. Partículas de areia com
diâmetro igual ou superior a 0,20 mm são consideradas prejudiciais ao sistema.
Os sólidos decantáveis se mantêm em suspensão devido à agitação ou
velocidade de escoamento da água. São retirados por dispositivos conhecidos como
caixas de areia ou desarenadores, cujo escoamento a baixa velocidade promove a
decantação de tais sólidos.
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Cerca de 70 % das partículas com diâmetro igual ou superior a 0,20 mm são
transportados em geral na terça parte inferior da lâmina d’água de um curso d’água,
logo deve-se evitar localizar a captação nesta profundidade. Em um rio de leito arenoso
cerca de 50 a 60 % das partículas tem diâmetro igual ou superior a 0,20 mm.
Portanto deve-se procurar remover as partículas com diâmetro igual ou superior
a 0,20 mm depois da captação e antes da entrada no sistema.
As velocidades médias de sedimentação das partículas podem ser vistas na
tabela 7 a seguir :
Tabela 7 - Velocidades média de sedimentação de partículas de areia
(peso específico = 2,65 g/cm3)
Velocidade – vs (cm/s)
Diâmetro (mm)
10o C 20o C
0,10 0,8 0,9
0,12 1,1 1,2
0,17 1,7 2,0
0,20 2,1 2,4
0,25 2,7 3,4
0,30 3,2 4,3
0,40 4,2 6,0
0,70 7,3 11,0
1,00 10,0 15,0
c.1) Dimensionamento de Desarenadores ou Caixa de Areia
Recomendação da Norma NBR 12213/92 :
q Deve existir preferencialmente 2 (dois) desarenadores dimensionados para a
vazão total, considerando-se um fora de serviço;
q O desarenador pode ser dispensado quando for comprovado que o transporte
de sólidos sedimentáveis não é prejudicial ao sistema;
q Deve ser dimensionado com velocidade crítica de sedimentação das
partículas igual ou inferior a 0,021 m/s;
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q Deve ser dimensionado com velocidade de escoamento longitudinal igual ou
inferior a 0,30 m/s (porém maior que 0,10 m/s);
q O comprimento do desarenador obtido pelos critérios estipulados deve ser
multiplicado por um coeficiente não inferior a 1,50.
d) Captação em Lagos e Represas
A captação em lagos e represas geralmente é feita através de uma torre de
tomada d’água, pois as águas represadas, propiciam o aparecimento de algas
principalmente nas camadas superiores, onde a temperatura é mais elevada e a
penetração dos raios solares mais intensa. Por outro lado, as camadas inferiores podem
conter em determinadas épocas do ano, principalmente no verão, água com excessivo
teor de matéria orgânica em decomposição, com a produção de compostos causadores
de gosto e cheiro desagradáveis. Logo a captação deve apresentar níveis nas tomadas
d’água devido à qualidade da água do manancial ao longo da profundidade.
e) Reservatórios de Acumulação
As barragens são estruturas implantadas nas calhas dos rios e que modificam o
seu regime, algumas apenas no que se refere aos níveis d’água, as “barragens
regularizadoras de níveis d’água”; outras alteram o regime de níveis d’água e vazões,
denominadas de “barragens regularizadoras de vazões”.
As barragens regularizadoras de níveis d’água correspondem aos
aproveitamentos “ao fio d’água” e destinam-se a elevar os níveis de estiagem e afogar
convenientemente as estruturas de captação das vazões de consumo.
As barragens regularizadoras de vazões dos rios, também chamadas de
Reservatórios de Acumulação tem maior altura do que as anteriores e acumulam em sua
bacia hidráulica os volumes de água que vão suprir as deficiências das vazões de
estiagem dos rios.
Os reservatórios de acumulação podem atender a uma ou mais finalidades :
abastecimento d‘água, aproveitamento hidrelétrico, irrigação, controle de enchentes,
regularização de curso d’água, navegação e etc.
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No caso de abastecimento de água são empregadas quando as vazões médias do
curso d’água são superiores às necessidades de consumo e as vazões mínimas do curso
d’água são inferiores a essas necessidades. Caso as vazões mínimas sejam superiores às
vazões de consumo não haverá necessidade da construção de reservatório de
acumulação.
Efeitos do represamento sobre a qualidade da água
Efeitos favoráveis do represamento :
q Diminuição da turbidez, devido a sedimentação de matérias em suspensão;
q Redução da cor, devido à ação da luz solar e à ação química da coagulação,
seguida de sedimentação das partículas;
q Redução dos microorganismos patogênicos devido as condições
desfavoráveis à sua vida no lago.
Efeitos desfavoráveis do represamento :
q Decomposição da matéria orgânica depositada no fundo, diminuindo o teor
de oxigênio dissolvido e elevando o teor de gás carbônico (causador da
corrosão das estruturas e canalizações metálicas), que favorece a dissolução
do ferro, manganês, cálcio, magnésio, elevando a dureza;
q Desenvolvimento de microorganismosque podem alterar as características
organolépticas da água e interferir em seu tratamento, prejudicando por
exemplo a filtração.
Q médio curso d’água
Vazões
Tempo
Q curso d’água
Q consumo
Q mínimo
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Cálculo da Capacidade Útil do Reservatório
Para o cálculo da capacidade útil do reservatório de acumulação devem ser
considerados como principais parâmetros :
q Vazão do curso d’água;
q Vazão demandada no abastecimento (geralmente consideradas constante no
tempo);
q Perdas (evaporação da água e infiltração nos terrenos e no maciço da
barragem);
q Vazão à jusante da barragem (para outras finalidades : obras de controle,
regularização de níveis e etc.).
Normalmente considera-se o mês como a unidade de tempo para cálculo e
também um intervalo de tempo suficientemente amplo, abrangendo mais de um ciclo
hidrológico.
Para cálculo emprega-se normalmente o Diagrama de Rippl. O método de Rippl
utiliza a curva dos deflúvios acumulados do rio na seção do barramento e a compara
com a curva dos deflúvios acumulados de consumo, que mais comumente é uma reta,
quando a vazão média de captação é constante.
É feito então um balanço em cada instante, entre a vazão de consumo (Qc)
representada pelo coeficiente angular (tg â) da reta de consumo e as vazões naturais do
rio representadas pelas tangentes (tg á) aos pontos da curva de deflúvios acumulados
(CDA), conforme Gráfico A.
Entre 0 e 1 as tangentes à CDA, apesar de decrescente, tem inclinações
superiores à da reta de consumo, isto é, as vazões do rio são maiores que as de consumo
(Q > Qc), há excesso de oferta e o reservatório se replete (enche). Admita-se que em 1,
instante em que as tangentes tornam-se paralelas (tg á = tg â, ou Q = Qc) o reservatório
está cheio, isto é, seu nível d’água corresponde ao nível d’água normal (Nan), como
indicado no Gráfico C.
A partir de 1, o rio continua em regime decrescente (Q < Qc) até o ponto de
inflexão (PI) do instante 2, que corresponde a um mínimo do seu regime natural. Após 2
as vazões voltam a crescer até o PI do instante 5, tornando-se maiores do que Qc a partir
de 3 até 4, instante em que repõe o nível d’água normal do reservatório. Assim sendo o
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reservatório se deplete (esvazia) de 1 até 3 e se reenche ou replete de 3 até 4 (Gráfico
B).
O tempo decorrido de 1 a 4 configura um “período de operação” do
reservatório.
Dentro de cada período de operação, definido como acima, pode-se determinar
em qualquer instante o volume disponível no reservatório e a parcela que está faltando
em relação ao volume correspondente ao nível d’água normal, ou volume útil.
Considere no Gráfico D um instante qualquer t, durante o período de operação
do reservatório. De 1 a t o rio produz o deflúvio dado pela ordenada t t’, e o deflúvio
consumido corresponde à ordenada t t”. Se em 1 o reservatório está cheio (Nan), o
volume faltando na bacia hidráulica no instante t será a diferença : (t t” – t t’ = t’t”).
Para o instante 3, t’t” assume o seu valor máximo (3’ 3”) e corresponde ao
maior volume “em falta” no reservatório nesse período de operação. Nos pontos em que
a tangente toca a CDA, como 1 e 4, segmento t’t” se anula, indicando que o reservatório
está cheio. Como os períodos de operação são isolados e independentes uns dos outros,
escolhe-se entre os definidos no tempo total reproduzido na CDA, aquele que
corresponda ao maior dos máximos volumes em falta, cujo valor será o próprio “volume
útil” do reservatório. Atendida essa situação mais desfavorável, todos os outros períodos
de operação estão cobertos pela capacidade do reservatório. No Gráfico B esse maior
valor correspondente ao 1º período de operação é igual à diferença de ordenadas entre as
tangentes paralelas a Qc nos instantes 1 e 3, que caracteriza o segmento 3’3” indicado
no Gráfico D.
Figura 22 - Dimensionamento e Operação de Reservatório de Estiagem – Gráfico D
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Gráfico A - Hidrógrafa
Gráfico B – Curva de Deflúvios Acumulados – Diagrama de Rippl
Gráfico C – Curva de Operação do reservatório
Gráfico D – Período de Operação de um Reservatório
Figura 22 – Dimensionamento e Operação de Reservatório de Estiagem