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SANEAMENTO BÁSICO II - AULA 2- Prof. Eloá Cristina F. Pelegrino (eloa.pelegrino@unifran.edu.br) UNIFRAN – 2017 8º Período – Curso de Engenharia Civil Disciplina SANEAMENTO BÁSICO II CONSUMO DE ÁGUA Aula 2 - Consumo de Água 2.1 - Introdução Fonte: TSUTIYA (2004) Qual é a principal variável utilizada no dimensionamento das tubulações, estruturas e equipamentos? O dimensionamento das tubulações e demais estruturas é função das vazões de água. Q = ???? Como obter o valor da vazão de dimensionamento? A vazão depende: Do consumo médio por habitante; Da estimativa do número de habitantes; Das variações de demanda; De outros consumos que podem ocorrer na área em estudo. 2.2 - Classificação dos consumidores Doméstico; Comercial; Industrial; Público. Por que é feita essa classificação? Essas categorias são claramente identificáveis. Existe a necessidade de estabelecimento de políticas tarifárias e de cobrança diferenciadas. Tarifa escalonada (progressiva): Para cada uma das faixas de consumo existe uma tabela com valores estabelecidos para o consumo. Exemplo: tarifa escalonada. Tarifas para os serviços de abastecimento de água e/ou coleta de esgoto, para o município de Franca, a partir de 12 de Maio de 2016.(Sabesp, 2016) https://www9.sabesp.com.br/agenciavirtual/pages/home/paginainicial.iface Para enquadramento na categoria Residencial Social: A - Critérios: Terá direito a pagar a Tarifa Residencial Social, o cliente que, mediante avaliação pela Área Comercial da SABESP, realizada com base em norma interna da Companhia, atenda aos seguintes critérios: 1) Residência Unifamiliar: a) O cliente deverá ter renda familiar de até 3 salários mínimos, ser morador de habitação sub-normal com área útil construída de 60m², e ser consumidor monofásico de energia elétrica com consumo de até 170 kWh/mês; Ou b) Estar desempregado, sendo que o último salário seja de no máximo 3 (três) salários mínimos. O tempo máximo será de 12 meses. 2) Habitação Coletiva: a) As habitações consideradas sociais, como cortiços e as verticalizadas, tais como Unidade Social Verticalizada resultante do processo de urbanização de favelas, deverão ser cadastradas na tarifa social. A categoria das economias residenciais (uso doméstico) é a mais homogênea → variabilidade do consumo é pequena. As categorias comercial e industrial são mais heterogêneas. Pequenos consumidores de água: bares, padarias e pequenas indústrias. Grandes consumidores de água: shopping center e indústrias de bebidas. Volume faturado por categoria (SABESP, 2011) Fatores que afetam o consumo: Condições climáticas: normalmente o consumo é maior no verão (as pessoas utilizam mais água). Quanto mais quente a região, maior é o consumo. O consumo é maior em regiões secas do que em regiões mais úmidas. Hábitos e nível de vida da população: banhos, lavagem de pisos, lavagem de logradouros, irrigação de jardins. Quanto mais elevado o poder econômico e social da população, maior é o consumo. Maior utilização de máquinas de lavagem de roupas, de lava de pratos, da lavagem de automóveis, da utilização em piscinas. Consumo domiciliar per capita em função da renda familiar (Belo Horizonte e Contagem - MG). Fonte: Heller, 2006 Natureza da cidade: em cidades com características industriais, onde se consome água no processo industrial, o consumo per capita de água é maior. Agrupamentos tipicamente residenciais como as vilas operárias, cidades satélites e conjuntos habitacionais, são os que geralmente apresentam menor consumo. Medição de água: A presença de medidores é fundamental para a redução do consumo. Um estudo realizado em Alberta, no Canadá, mostrou que a falta de medição aumentou o consumo em 25%. Em cidades em que o serviço medido não foi implantado, observa-se que o QPC é bem mais alto comparativamente às cidades semelhantes onde há medição parcial ou total. Pressão na rede: O consumo de água aumenta com a pressão na rede de distribuição de água (maior vazão). Se alimentação for indireta, isto é, através de reservatórios domiciliares, os defeitos de registros de bóia serão mais frequentes e ocasionarão, igualmente, perdas de água e, portanto, maior consumo. Por isso, as redes devem trabalhar, sempre que possível, a pressões reduzidas (desde que assegurem o abastecimento). Rede de esgoto: Com a implantação de rede de esgotos há um aumento no consumo de água. Esse aumento é devido à despreocupação com a capacidade do seu sistema de disposição de esgotos, tais como a fossa séptica. Preço da água: Dentre as variáveis que afetam a demanda doméstica de água, uma das mais importantes é o preço. É uma das poucas variáveis sob total controle dos responsáveis pelo sistema de abastecimento de água. Vários trabalhos na literatura mostram uma relação direta entre demanda doméstica e o preço da água. Elevações nos preços da água acarretam diminuição do consumo (até um limite mínimo essencial). Reduções no preço causam aumento de consumo Tarifa média praticada em 2014 para serviços de abastecimento de água e de esgotamento sanitário, segundo estado, região geográfica e Brasil Diagnóstico dos Serviços de Água e Esgotos – 2014 - http://www.epsjv.fiocruz.br/upload/Diagnostico_AE2014.pdf • Pode-se observar que, dos 27 Estados brasileiros (considerando o Distrito Federal), um total de 12 (44,4%) apresentam despesas totais médias com os serviços superiores às tarifas médias praticadas. • Essa situação acontece em 2 estados do Centro-Oeste (50,0%), 4 (57,1%) no Norte, 6 do Nordeste (66,7%) e 2 do Centro-Oeste (50,0%). Chamam a atenção, principalmente, Pará e Roraima, onde essa diferença chega a mais de 100% e Amapá onde o valor é 94% desigual. • Por outro lado, Estados como Espírito Santo e Rio de Janeiro apresentam maiores diferenças positivas entre tarifas médias praticadas e despesas totais médias, com diferenças que passam de 15%, sendo que a média do Brasil é de cerca de 2,5%. E Franca??? Demandas em uma instalação para abastecimento de água Qualidade, quantidade, pressão e continuidade Demanda atual e futura (alcance de projeto) Consumo no próprio sistema (limpeza de ETAs) Perdas no sistema Consumo doméstico de água Fonte: TSUTIYA (2004) Água para uso comercial Apesar de sua grande importância no gerenciamento de sistemas de abastecimento de água, são poucas as pesquisas para a determinação do consumo de água em instalações comerciais no Brasil. Fonte: TSUTIYA (2004) Água para uso industrial Categorias de uso: Uso humano Uso doméstico Água incorporada ao produto Água utilizada no processo de produção Água perdida ou para usos não rotineiros O volume de água utilizado pelas indústrias varia de uma indústria para outra e, por outro lado, mesmo para indústrias semelhantes, o consumo pode variar consideravelmente. Água para uso público Fonte: TSUTIYA (2004) 2.3 - Consumo per capita de água (q ou qpc ou QPC) O significado do consumo per capita é o da média diária, por indivíduo, dos volumes consumos requeridos para satisfazer aos doméstico, comercial, público e industrial, além das perdas no sistema. A unidade usual do qpc é L/hab.dia Libânio et al., 2006 ou qpc efetivamente consumido (qe) pelos usuários Micromedição (hidrômetros nas economias) Macromedição(saída do reservatório) qpc utilizado no dimensionamento das unidades de um SAA Ausência de medições: valores médios tabelados ou de áreas semelhantes Consumo médio per capita por prestadores de serviços, em 2011 (média do Brasil:156,7 l/hab.dia) Estimativas de consumo VON SPERLING (2005) Índice de atendimento (ou cobertura): representa a população situada dentro da área de projeto, servida pela rede de distribuição, e ligada à mesma. É uma fração da população total de uma cidade : população servida/população total. Deve ser determinado para as condições atuais e estimado para as condições futuras. No final de plano, é desejável que seja próximo de 100%. O índice de atendimento é função de condicionantes físicas, geográficas ou topográficas da localidade (nem sempre é possível atender com a rede de distribuição a todas as residências). Do índice de adesão: é a relação entre a população que realmente efetuou a ligação à rede e a população potencialmente servida pela de distribuição na rua. Das etapas de implementação da rede de distribuição, pois pode ser que nos anos iniciais de funcionamento nem toda a rede projetada esteja implantada. O índice de atendimento pode ser obtido, por exemplo, como função do número de ligações elétricas. Índice de atendimento = população média atendida/nº de ligações elétricas. Índice de Perdas: as perdas correspondem à diferença entre o volume de água produzido e o volume entregue nas ligações domiciliares. Referem-se aos volumes não contabilizados, podendo ser divididas em perdas físicas (ou reais) e perdas não-físicas (ou aparentes). Aos quatro tipos de consumos mencionados (doméstico, comercial, industrial e público) incorporam-se as perdas. Perdas físicas ou reais Perdas não físicas ou aparentes Vazamentos nas tubulações de distribuição e das ligações prediais Ligações clandestinas Extravasamento de reservatórios By-pass irregular no ramal das ligações (“gato”) Operações de descargas nas redes de distribuição e limpeza dos reservatórios Problemas de micromedição (hidrômetros inoperantes ou com submedição, fraudes, erros de leitura, problemas na calibração dos hidrômetros, entre outros). em que: IP = índice de perdas (%); Vm = volume de água micromedido ou faturado (volume consumido); Vp = volume de água macromedido ou disponibilizado para distribuição (volume produzido). Índice de perdas na distribuição em 2011 (média do Brasil:38,8%). Índice de perdas na distribuição em 2011 segundo capital dos estados e média do Brasil (38,8%). Observa-se grande variação nos índices de perdas, desde 23,5% em Goiânia/GO até 72,1% em Porto Velho/RO e Macapá/AP. O consumo per capita de água pode ser determinado através: Leitura dos hidrômetros – consumo per capita micromedido: é aquele efetivamente consumido pelos usuários. Leitura do macromedidor instalado na saída do reservatório – consumo per capita macromedido: é utilizado no dimensionamento das unidades de um sistema de abastecimento de água; Quando não existirem medições. Obs.: A diferença entre os valores do consumo per capita macromedido e o consumo per capita micromedido é exatamente as perdas no sistema. a) Determinação do consumo per capita de água a partir da leitura dos hidrômetros. a uma ou mais Uma ligação de água pode atender economias. Leitura dos hidrômetros: Consumo no período por tipo de economia (domiciliar, industrial, comercial e público) de cada tipo de economia Número número de habitantes atendidos e (avaliar o o índice de atendimento). Consumo efetivo per capita (qe): É o consumo médio efetivo de água por habitante no período, englobando o consumo doméstico, o industrial, o comercial e o público Consumo per capita (q ou qpc ou QPC): Para obtenção do consumo per capita são incorporadas as perdas de água do sistema de abastecimento. Em projetos é comum fixar um índice de perdas como meta (por exemplo, 20%) e não utilizar valores atuais, que geralmente são bem mais altos. b) Determinação do consumo per capita de água a partir da leitura de macromedidores. Macromedidores são equipamentos utilizados na passa em medição da quantidade de água que determinado ponto da rede de distribuição. Eles têm a mesma função dos hidrômetros domésticos. Geralmente são instalados na saída do reservatório de distribuição e fornecem os volumes consumidos a cada hora ou outro intervalo de tempo escolhido. Alguns modelos fornecem o gráfico tempo-vazão, que permite conhecer, além do consumo médio per capita, os coeficientes de variação de vazão. Estes equipamentos também são utilizados para o controle do desperdício da água, no sistema de distribuição. RESUMO!!! 14 Macromedição Micromedição 𝑞𝑝𝑐 𝑞𝑝𝑐 − 𝑞𝑚 𝐼𝑃(%) = . 100 qpc: consumo per capita (L/hab dia) qm: consumo efetivo per capita de água (L/hab dia) IP: Índice de perdas (%) VC: volume consumido medido nos hidrômetros (micromedição) (L) NE: número médio de economias ND: número de dias da medição pelos hidrômetros NH/L: número de habitantes por ligação 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 (𝑚𝑎𝑐𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜) 𝑞𝑝𝑐 = 𝑝𝑜𝑝𝑢𝑙𝑎çã𝑜 𝑎𝑏𝑎𝑠𝑡𝑒𝑐𝑖𝑑𝑎 (ℎ𝑎𝑏) 𝑚 𝑞 = 𝑉𝐶 𝑁𝐸 × 𝑁𝐷 × 𝑁𝐻/𝐿 Detalhe do macro-medidor (SAAE - Viçosa - MG) Instalação de macro-medidor na saída de reservatório de distribuição (SAAE - Viçosa - MG) Franca Ligação pode atender a uma ou mais economia!!! Exercício Através da leitura de um medidor de vazão instalado na saída do reservatório, e das leituras dos hidrômetros domiciliares, obteve-se a tabela abaixo. Calcular o consumo per capita de água e o índice de perdas desse sistema. Levantamentos adicionais realizados: - Amostragem in loco na área abastecida, obtendo-se o valor médio de 4,3 habitantes por domicílio; - Número de ligações de energia elétrica fornecida pela concessionária: 5.170 2.4 – Variações no consumo Em um sistema de abastecimento de água, a quantidade de água consumida varia continuamente em função do tempo. Variação anual: o consumo de água tende a crescer com o tempo, devido ao aumento populacional ou a melhoria dos hábitos de higiene da população. Variação mensal: nos meses de verão, o consumo supera o consumo médio, já no inverno, o consumo é menor. Variação diária. Variação horária. a) Variações diárias K1 – Coeficiente do dia de maior demanda (consumo): é a relação entre o maior consumo diário verificado no período de um ano e o consumo médio diário neste mesmo período. A antiga NB 587 é a NBR 12211 - Estudos de concepção de sistemas públicos de abastecimento de água Fonte: Zambon e Contrera (2013) b) Variações horárias K2 – Coeficiente da hora de maior demanda (consumo): é a relação entre a maior demanda horária ocorrida em um dia e a vazão horária média desse dia. Fonte: Zambon e Contrera (2013) Para a determinação dos valores de K1 e K2, devem ser excluídos os consumos dos dias em que ocorreram acidentes no sistema, ou fatos excepcionais responsáveis por alteração no consumo de água. Para a determinação do K1, recomenda-se no mínimo, cinco anos consecutivos de observações, adotando-se a média dos coeficientes determinados. Demandas em uma instalação para abastecimento de água Variação temporal da vazão Coeficientes de Reforço K1 e K2 𝑚𝑎𝑖𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 𝑛𝑜 𝑎𝑛𝑜 𝑲𝟏 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚é𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 𝑛𝑜 𝑎𝑛𝑜 𝑚𝑎𝑖𝑜𝑟 𝑣𝑎𝑧ã𝑜 ℎ𝑜𝑟á𝑟𝑖𝑎 𝑛𝑜 𝑑𝑖𝑎 𝑲𝟐 = 𝑣𝑎𝑧ã𝑜 𝑚é𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑑𝑖𝑎 FONTE: ZAMBON E CONTRERA (2013) * Região Metropolitana de São Paulo (RMSP) 2.5 – Estudo da população As obras de abastecimento de água são dimensionadas para atender a uma população correspondente ao crescimento demográfico em um determinado número de anos. Esse período chama-se de período do projeto, plano de projeto ou horizonte de projeto. É comum adotar-se 20 anos. Se as obras previstas no projeto forem construídas para atender o horizonte do projeto, nos anos iniciais haverá grande ociosidade, o que significa onerar a população atual. Para que isso não aconteça, as obras que podem ser subdivididas deverão ser executadas em etapas. Uma casa de bombas pode operar inicialmente com duas bombas (uma de reserva) e à medida da necessidade vão sendo instaladas mais bombas em paralelo. Uma estação de tratamento pode ter a sua capacidade duplicada ou triplicada construindo-se mais unidades. A ideia é que a disponibilidade de obras acompanhe o mais próximo possível a curva de demanda da cidade. Outras definições importantes da NBR 12 211 - Estudos de concepção de sistemas públicos de abastecimento de água População residente: é aquela formada pelas pessoas que têm o domicílio como residência habitual, mesmo que ausente na data do censo por período inferior a doze meses. População flutuante: é aquela que, proveniente de outras comunidades, se transfere ocasionalmente para a área considerada, impondo ao sistema de abastecimento de água consumo unitário análogo ao da população residente. FONTE: VON SPERLING, 2005 População temporária: é aquela que, proveniente de outras comunidades ou de outras áreas da comunidade em estudo, se transfere para a área abastecível, impondo ao sistema consumo unitário inferior ao atribuído à população, enquanto presente na área, e em função das atividades que aí exerce. População total em uma área da comunidade: Soma das populações residente, flutuante e temporária. População abastecida: é aquela atendida pelo sistema de distribuição existente. População abastecível: parcela da população total, em uma área da comunidade, a ser abastecida pelo sistema de distribuição. Consumidor singular: é aquele que, ocupando parte de uma área específica, apresenta um consumo específico significativamente maior que o produto da vazão específica da área, pela área por ele ocupada. Consumidor especial: é aquele que deve ser atendido, independentemente de aspectos econômicos relacionados ao seu atendimento. Estudo da população da área de projeto: fixados os períodos de projeto e as etapas de construção, deve-se estimar a população a ser abastecida nesses anos. O estudo da População é o principal parâmetro para o cálculo das vazões. Devem ser levados em consideração: dados censitários; cadastro imobiliário; pesquisa de campo; planos e projetos existentes; planos Diretores do município (uso e ocupação do solo); situação socioeconômica do município; elaboração de projeções da população. Principais métodos para estudos demográficos. a) Método dos componentes demográficos; b) Métodos com base em fórmulas matemáticas; c) Método com base na quantificação indireta a) Métodos dos componentes demográficos Este método considera a tendência passada verificada pelas variáveis demográfica: fecundidade, mortalidade e migração, sendo formuladas hipóteses de comportamento futuro. A expressão geral da população de uma comunidade, em função do tempo, pode ser expressa da seguinte forma: Esta expressão, embora seja uma função dos números intervenientes no crescimento da população, não tem aplicação prática para efeito de previsão devido a complexidade do fenômeno, o qual está na dependência de fatores políticos, econômicos e sociais. Fonte: Heller, 2006 b) Métodos com base em fórmulas matemáticas: c) Métodos com base na quantificação indireta Extrapolação gráfica: este método pode ser utilizado para estimar a população por um período grande. Consiste no traçado de uma curva arbitrária, que se ajusta aos dados já observados, da população de outras comunidades semelhantes ao estudo, mas que tenham uma população maior. População de referência Ano B C A Comunidade em estudo D P o p u la ç ã o População projetada da comunidade A Previsão população de empregos é estimada e serviços utilizando-se de utilidades: A a previsão de empregos ou a partir da previsão de serviços de utilidade, como eletricidade, água, telefone Com base nos dados passados da população e pessoas empregadas, calcula -se a relação "emprego/população", a qual é projetada para os anos futuros. Ao se fazer as projeções populacionais, deve-se ter em mente os seguintes pontos: 1) Os estudos de projeção populacional são normalmente bastante complexos. Devem ser analisadas todas as variáveis (nem sempre quantificáveis) que possam interagir na localidade específica em análise. Podem ocorrer eventos inesperados que mudem totalmente a trajetória prevista para o crescimento populacional. Necessidade do estabelecimento de um valor realístico para o horizonte de projeto, assim como da implantação das obras em etapas. 2) As sofisticações matemáticas associadas às determinações dos parâmetros de algumas equações de projeção populacional perdem o sentido se não forem embasadas por informações paralelas, na maioria das vezes não quantificáveis, como aspectos sociais, econômicos, geográficos, históricos etc. 3) O bom senso do analista é de grande importância na escolha do método de projeção a ser adotado e na interpretação dos resultados (a extrapolação da curva exige percepção e cautela). 4) Os últimos dados censitários no Brasil têm indicado uma tendência geral (com exceções localizadas) de redução nas taxas anuais de crescimento populacional. 5) É interessante considerar-se a inclusão de uma certa margem de segurança na estimativa, no sentido de que as populações reais futuras não venham, a menos de alguma forte causa imprevisível, facilmente ultrapassar a população de projeto estimada, induzindo a precoces sobrecargas no sistema implantado. • Para as condições Brasileiras, a dificuldade de obtenção de dados confiáveis que constituam uma série histórica de população, principalmente em municípios pequenos no interior do Brasil, dificulta sobremaneira a adoção do método logístico. • Assim, na ausência de dados confiáveis usualmente adota-se o método de crescimeto geométrico, com taxas similares às verificadas nos municípios maiores e, que apresentem condições sócio–econômicas parecidas. E qual usar?? Exercício 2.6 - Vazões de dimensionamento dos componentes de um sistema de abastecimento de água. O dimensionamento dessas diversas partes deve ser feito para as condições de demanda máxima, para que o sistema não funcione com deficiência durante horas do dia ou dias do ano. As obras a montante do reservatório de distribuição devem ser dimensionadas para atender a vazão média do dia de maior consumo do ano. Vazões de Dimensionamento dos Componentes de um Sistema de Abastecimento de Água 𝑃 . 𝑞𝑝𝑐 𝑄 = 86400 𝑄 = 𝑣𝑎𝑧ã𝑜 𝑚é𝑑𝑖𝑎(𝐿 /𝑠) 𝑃 = 𝑝𝑜𝑝𝑢𝑙𝑎çã𝑜 (ℎ𝑎𝑏) 𝑞𝑝𝑐 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑝𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑡𝑎 (𝐿/ℎ𝑎𝑏. 𝑑𝑖𝑎) 74 Vazão média: Vazão da captação, estação elevatória e adutora até a ETA (Q1): levamos em conta a vazão do dia de maior consumo no final de plano (K1), mais o consumo da ETA (lavagem de filtros e decantadores). Se a ETA consome 4% da água produzida, CETA é 1/0,96 DISTRIBUIÇÃO PRODUÇÃO Dimensionamento Demanda máxima Vazão da ETA até o reservatório (Q2): levamos em conta a vazão média do dia (K1) de maior consumo. Uma das funções dos reservatórios de distribuição é receber uma vazão constante (vazão média do dia de maior consumo) e servir de volante para as variações horárias. Vazão do reservatório até a rede (Q3): a rede de distribuição deve ser dimensionada para a maior vazão de demanda, que é a hora de maior consumo. Levamos em conta a vazão média do dia (K1) e hora (K2) de maior consumo no final de plano. P = população da área abastecida; q = consumo per capita de água; K1 = coeficiente do dia de maior consumo; K2 = coeficiente da hora de maior consumo; Qesp = vazão específica (grandes consumidores) CETA = consumo da ETA Capacidade das unidades O diagrama apresentado na Figura 10 destaca as vazões a serem consideradas em cada uma das unidades de um sistema de abastecimento de água. Observa-se que todas elas derivam da vazão média (Q), dada por: Exemplo (usar equações do slide 78): Calcular a vazão das unidades de um sistema de abastecimento de água, considerando os seguintes parâmetros: • P para dimensionamento das unidades de produção, exceto adutoras (alcance = 10 anos) = 20000 hab; • P para dimensionamento de adutoras e rede de distribuição (alcance = 20 anos) = 25000 hab; • q = 200 L.hab-1.d-1; • t = 16 horas; • qETA = 3% • k1 = 1,2; • k2 = 1,5; e • Qs = 1,6 L.s-1 . 87,49 L/s
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