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Estudo e Análise de Sistemas de Automação
para Gestão de Recursos Hídricos
André Granziera Miyake, André de Godoi Bueno
Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
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RESUMO
Os objetivos principais deste trabalho são: estudar e contribuir para a sistematização do conhecimento sobre os sistemas de abastecimento de água no meio universitário; estudar o sistema de abastecimento do município de São Paulo; identificar algumas das principais causas e falhas do sistema que possam gerar desperdícios de água; propor uma aplicação de um sistema de automação para melhor gerenciar e controlar o sistema de abastecimento de água do município de São Paulo e incentivar pesquisas na área de gestão e automação de recursos hídricos.
SUMMARY
The main objectives of this work are: study and contribute to the establishment of patterns in water supply systems in the university environment; study the water supply systems in the city of São Paulo; identify some of the main causes and flaws in the water systems that may cause water loss; propose the application of an automation system that may improve the management and control of the water supply systems in the city of São Paulo and stimulate researches in the field of management and automation of water resources.
INTRODUÇÃO
Cada vez mais em pauta em discussões ambientalistas, a água para uso humano no mundo é hoje entendida como um bem esgotável e de extrema importância para o futuro das sociedades humanas. Muitas vezes a mesma é referida como o ‘petróleo’ do futuro.
Embora em muitas regiões do Brasil a água potável ainda seja um bem abundante, na região metropolitana de São Paulo já se tem escassez desse recurso, devido a esta região ser uma região urbana de altíssima densidade demográfica, gerando grande demanda dos mananciais de água existentes na região.
Desta forma, há um aumento dos custos para se obter novas fontes de água potáveis e dos custos envolvidos no tratamento e transporte desse recurso para as regiões de ocupação humana. Por outro lado a demanda de água é sempre crescente, pois a expansão demográfica na região metropolitana de São Paulo apresenta altas taxas de crescimento, diminuindo a disponibilidade de água potável para atender a toda a população desta grande região.
Assim, passa a ser extremamente vantajoso economicamente tanto para a empresa de abastecimento de água como para a sociedade que se faça melhor gestão dos recursos hídricos disponíveis, de forma a se minimizar desperdícios por perdas e mau uso destes.
 Na Região Metropolitana de São Paulo a empresa concessionária responsável pelos serviços de abastecimento de água é a Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo, Sabesp.
A automação entra neste contexto como uma ferramenta de grande valia para a minimização de perdas de água, podendo reduzir as perdas existentes e economizando-se grande quantidade recursos, conforme se deseja demonstrar neste trabalho.
PERDAS DE ÁGUA
Pode-se avaliar as perdas de água num sistema de distribuição medindo-se o volume despachado para as diversas regiões pelos encanamentos principais (chama-se este tipo de medição de macromedição) e comparando-se com a somatória de todos volumes de água medidos nos hidrômetros que são usados na cobrança de cada consumidor (chama-se de micromedição).
As diferenças entre a água tratada que foi despachada e a que foi efetivamente consumida explica-se por diversos motivos. Entram nessa diferença: vazamentos em encanamentos de transmissão e distribuição, reservatórios e conexões de serviço; consumo não autorizado (furto de água); consumo de água social (não cobrado pela companhia de abastecimento) e erros de medição provocados por má calibração de hidrômetros.
Dentre esses motivos, a maior parcela desta diferença de valores é provocada por vazamentos. Portanto, para que haja melhor aproveitamento da água tratada é de extrema importância que se trabalhe para reduzir ao máximo as perdas. Na região metropolitana de São Paulo temos que em torno de 40% de toda água despachada é perdida até o consumidor. Desses valores, estima-se que 70% são provenientes de perdas por vazamentos em diversos pontos da rede de distribuição.
O sistema de automação proposto neste trabalho tem, portanto, o foco na redução de perdas por redução destes vazamentos por meio de sistemas de supervisão e controle das redes de distribuição.
AUTOMAÇÃO NA DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA
Com o avanço da engenharia eletrônica nas últimas décadas foi possível o desenvolvimento de computadores e equipamentos eletrônicos que per-mitiram automatizar processos antes realizados ma-nualmente.
A automação na distribuição de água é usada tanto para manter uma pressão constante nos encanamentos (para aumentar o tempo de vida e evitar vazamentos) quanto para ajudar no gerenciamento do sistema. Dessa forma, é possível detectar perdas, estimar o crescimento do sistema (ou seja, prever qual a demanda futura e planejar uma expansão da rede) e aumentar a eficiência do serviço (pois é possível abrir e fechar válvulas remotamente, ao invés de deslocar uma equipe técnica até o local).
Os equipamentos comumente utilizados na automação de distribuição de água são as Válvulas Redutoras de Pressão (VRP), medidores de pressão de vários tipos (para diferentes diâmetros da tubula-ção), sensores de áudio para detecção de vazão, válvulas com servo mecanismo tele controladas e Controladores Lógico-Programáveis (CLP). Outros equipamentos de suporte utilizados são: modems para transmissão de dados e recepção de comandos remotos por linha telefônica ou módulos de GPRS por rede celular além de equipamentos que garantem a energia elétrica necessária ao funciona-mento desses equipamentos.
SOLUÇÕES E RESULTADOS:
Para este trabalho foi proposto um sistema composto de dois módulos, um que realiza a redução de perdas por detecção rápida de vazamentos e outro que além de realizar a redução de perdas já existentes, reduz a ocorrência de vazamentos controlando-se a pressão nos encanamentos.
SOLUÇÃO REPARATIVA: DETECÇÃO DE VAZAMENTOS
O módulo de detecção de vazamentos baseia-se no uso de sensores do tipo acústico que são instalados ao longo das redes de encanamentos. Os mesmos captam dados sonoros ao redor dos encanamentos e os transmitem para uma central que será capaz de distingui-los de ruídos externos, avaliar-se-á a ocorrência de vazamentos e emitir sinalização da situação dos vazamentos daquele trecho de rede para um sistema supervisório.
Cada sensor tem a posição física, onde o mesmo encontra-se instalado, referenciada num sistema de informações geográficas (GIS) de forma que quando houver a possível ocorrência de um vazamento na rede, o mesmo possa ser localizado geograficamente.
Os sensores podem, desta forma, reduzir significativamente os tempos de reparo de vazamentos ocorridos na rede, percebendo-os rapidamente e indicando o local aproximado da ocorrência destes. Através dos sensores pode-se, inclusive, localizar pequenos vazamentos não-visíveis (cuja água vazada não chega à superfície, normalmente encontrando alguma via subterrânea por onde escoar), que podem escoar água por até anos a fio sem que os mesmos consigam ser notados e sanados.
Como estudo de caso foi estipulado o impacto deste sistema sobre a região administrativa de distribuição de água da Sabesp da região metropolitana de São Paulo, denominada de Unidade de Negócios Norte, pois a mesma possui características geográficas de relevo que contribuem muito para a ocorrência de vazamentos nos encanamentos de distribuição. Utilizando dados fornecidos pela Sabesp sobre a Unidade, podemos encontrar que:
- Atualmente a Unidade trabalha com perdas gerais de água de aproximadamente 40% a 45% do total da despachada.
- Dados da Região:
População atendida (hab): 3.0009.080
Extensão ramais (km): 3.831
Extensão de rede (km): 4.611
Extensão total (km): 8.442
Númerode Ligações: 638.520
Número de Economias: 945.350
Índice de atendimento (%): 100
Índice de hidrometração (%): 100
Consumo "per capita" (l/hab.dia): 141
Densidade de ligações (lig/km): 138
- Para um volume macromedido anual típico de 303.711.681 m³ de água tratada e um volume micromedido de 167.143.594 m³, o sistema foi estimado a reduzir as perdas em aproximadamente 53.300.748 m³, o que acarretaria em uma redução de 31,89%.
- Sob um custo de produção de água potável estimado em, aproximadamente, R$0,3688/m³, haveria economia anual de R$19.657.35,86.
- Um sistema completo de detecção de vazamentos, incluindo o custo todo hardware e software necessário em campo e na central de monitoramento, teria um custo total de R$14.6 milhões, para aproximadamente 64 mil sensores espalhados ao longo da rede.
- Em apenas nove meses de funcionamento o capital investido seria completamente recuperado.
SOLUÇÃO PREVENTIVA: CONTROLE DE PRESSÕES NOS ENCANAMENTOS
	O controle de pressões em redes de abastecimento de água já é um método conhecido mundialmente para redução de perdas. Evitando pressões constantemente altas e saltos abruptos de pressão, evita-se o desgaste e danificação dos encanamentos de rede que podem levar aos vazamentos. Na presença de um vazamento, com as pressões de rede minimizadas, o volume de água perdido também é minimizado enquanto este não for detectado e consertado.
	Neste trabalho, o módulo de controle de pressão tem como base de seu funcionamento a utilização de válvulas chamadas Válvulas Redutoras de Pressão (VRPs) que em associação com medidores de pressão e vazão podem reduzir ou aumentar a pressão da água à jusante desta em determinados trechos da rede de distribuição de água para que esta se mantenha dentro de valores desejados.
	Separando-se a rede em ‘distritos’ de distribuição de água e monitorando-se a pressão nos pontos críticos da rede (pontos onde a pressão da água tende a chegar com menores valores), é possível se determinar uma faixa de pressões de operação ideal em cada uma das VRPs designadas para cada distrito da rede. Essa faixa deve minimizar as pressões da rede, enquanto mantendo estas com seu valor mínimo para atender a todos os consumidores daquela região com a pressão mínima aceitável para se fazer uso da água�.
	Em estudos de caso de regiões do Brasil e do Mundo de onde se tenta realizar o controle de pressões para este fim, nota-se a diminuição de vazamentos e do volume não-faturado da água destas regiões.
	Em 1999, Burn, Silva, Eiswirth, Hunaidi, Speers e Thornton afirmam que em redes com grandes densidades de serviços em grandes áreas urbanas, utilizando grandes quantidades de tubulações feitas do material uPVC (material de fabricação barata) são os candidatos mais indicados a se fazer um controle de pressão. Neste artigo são apontadas as vantagens e desvantagens do controle de pressões:
Vantagens:
Redução de vazamentos
Conservação da água
Distribuição de água eficiente
Impacto hidráulico reduzido
Redução de queixas por clientes
Desvantagens:
Pressões baixas para utilização em combate a fogo por bombeiros
Possível redução de consumo por alguns clientes
Reservatórios de clientes não enchem completamente durante a noite. Necessária a implantação de bombas.
Também são reportados resultados de diferentes métodos de redução de pressões aplicados em diversas regiões pontuais de São Paulo. A redução de perdas nessas diversas regiões rendeu economias que vão de 1 litro/s (controle hidráulico fixo) a 49 litros/s (controle hidráulico dinâmico), sendo que os maiores ganhos ficaram por conta das regiões que utilizaram métodos de controle dinâmicos de válvulas hidráulicas.
Em Wagga Wagga, na Austrália, a utilização de um método completo de redução de perdas por detecção de vazamentos e controle de pressões foi responsável por reduções em perdas em torno de 76 litros/s.
Denapoli, Oshiro, Hasegawa e Berenhauser reportam que como resultado da implantação de 30 sistemas de Controle de Pressão com VRPs e controladores na Unidade de Negócio Centro da Sabesp (até Julho/2000), cobrindo 40% da rede abastecida pela Unidade, conseguiu-se ganhos totais de 463 litros/s, reduzindo em 25, 1% o total do volume abduzido. Estimou-se, ao custo de produção da água de R$0,36/m³ de água, que houve uma economia de R$ 432.221,20, com tempo de recuperação de capital de apenas 3,5 meses. O custo do sistema implantado foi de R$ 1.508.601,60.
Em 2005, Trojan, Marçal, Resende e Stadler afirmam que como resultado de três anos implantando-se automação utilizando-se válvulas autocontroladas nos sistemas de abastecimento de água de Ponta Grossa no Paraná, conseguiu-se reduzir as perdas totais de 47,29% (em 2001) para 32,23% (em 2003), ficando abaixo do índice de perdas do Paraná que em 2005 era de 39% do volume total despachado.
Em 2005 também, Mckenzie e Wegelin informam que nas regiões de Seboken/Evaton na África do Sul, o controle de pressões feito com VRPs foi responsável por reduções de 20% das do total de água abduzido. Ao custo de US$700.000, o sistema implicou na economia de US$3.000.000 ao ano com recuperação de perdas de água.
Em 2005, em estudo de redução de pressões em Pittsburg nos EUA, Levine, Lucas, Cynar, Hildebrand e Morgan demonstram que no período de 2003 a 2005, o controle de pressões foi responsável por uma economia de US$1,4 milhões apenas em obras. Tal fato demonstra que os ganhos relacionados com o controle operacional mais eficiente de obras não apenas ficam restritos ao custo da água economizada por redução de perdas.
Para o sistema proposto neste artigo, pretende-se realizar o controle dinâmico de VRPs baseado em vazões. Sensores de vazão postos à montante e à jusante da válvula e nos pontos críticos da rede coberta por aquela válvula, assim como sensores de pressão, se comunicam por rede de comunicação sem fio (com tecnologias como rádio e linhas celulares, variando de fabricante para fabricante) com um CLP responsável pelo “distrito de pressões” que por sua vez realiza o controle dinâmico do “set-point” de pressões da VRP da região e também repassa os dados coletados naquele distrito para uma central de onde pode ser feito o comando remoto e a supervisão da rede.
	A Unidade de Negócio Norte da Sabesp, atualmente, conta com 199 VRPs instaladas cobrindo uma área de abrangência de 42% da rede da Unidade, sendo que destas 48 possuem telemetria e são passíveis de serem utilizadas em controle dinâmico. Atualmente o controle das válvulas sem telemetria é fixo e das com telemetria é baseada em modulação baseada no tempo (discretizando os set-points de pressão das válvulas por faixa horária).
	Somente com a implantação do sistema de controle de pressão proposto neste trabalho, estima-se que o sistema terá necessidade da ampliação do parque de VRPs, da compra de novos sensores de pressão, sensores de vazão, PLCs, e ampliação do centro de controle operacional existente.
	No total, o sistema custaria cerca de R$10 milhões assumindo que parte das instalações atuais de controle a perdas pode ser reaproveitada no novo sistema. �	Estima-se que a redução de perdas atuais fique em torno de 60%. Desta forma, se economizaria anualmente cerca de 66.857.437,6 m³ de água, o que representaria uma economia de R$24.657.022,98 ao ano (sob um custo de produção de água potável estimado em, aproximadamente, R$0,3688/m³ de água). O tempo de recuperação de capital ficaria em apenas 5 meses.
CONCLUSÕES
 
	Conclui-se através dos estudos e das avaliações realizadas que a automação na distribuição de água em redes urbanas tem como principais empecilhos o alto custo dos investimentos necessários para a implantação dos sistemas e dificuldades de ordem legal e técnica para a instalação e manutenção de equipamentos em locais públicos.
	Entretanto, em vista da necessidade de economia de recursos de água em regiões críticas como a região metropolitana de São Paulo e da magnitude dos retornos financeiros resultantes da redução de perdasde água, pretende-se demonstrar com esse trabalho que investimentos gastos com automação nessa área apresentam enormes vantagens e são de grande interesse tanto às companhias de abastecimento de água como para a sociedade como um todo.
	Tal afirmação pode ser demonstrada através dos resultados positivos trazidos pela automação, obtidos de estudos de caso realizados no Brasil e no exterior citados neste trabalho e nas análises realizadas no mesmo.
	O sistema integrado completo com detecção de vazamentos e controle de pressões geraria uma redução do volume de água não faturado da Unidade Norte de 45% para pelo menos 12,26%, que geraria uma economia anual de 146.651.789,37m³ de água e, a um custo de produção de R$0,3688/m³, uma economia de R$ 54.085.179,92 em recuperação das perdas. Sob um custo total de R$24,6 milhões o sistema de automação se pagaria em apenas cinco meses e meio somente com o valor de perdas recuperadas de água. 
Espera-se que com a redução do custo com obras reparativas e postergando-se os investimentos de construção de novas estações de captação de água e novas estruturas de transmissão e distribuição essa economia seja ainda maior.
AGRADECIMENTOS	
	O grupo deste trabalho gostaria de agradecer ao Professor e Orientador Sergio Luiz Pereira, Professor e Coordenador Luiz Cláudio Ribeiro Galvão e a Américo Sampaio, Cícero Rocha, Antônio Carlos Mansoldo e os demais funcionários da Sabesp envolvidos que possibilitaram a elaboração deste artigo e deste trabalho.
REFERÊNCIAS 
SABESP. Página oficial da Sabesp. Disponível em http://www.sabesp.com.br
TSUTIYA, Milton Tomoyoki. Abastecimento de Água. São Paulo, Provográfica, 2006.
BROTHERS, Kenneth. City of Ottawa Utility Services e Membro da IWA - Canadá Avanços recentes no conhecimento e nas ações para redução de perdas reais e aparentes: Visão da IWA - International Water Association.
VERMERSCH, Michel. Consultor da IWA – França, O círculo das águas perdidas.
COULBECK, B., ORR, C., BRDYS, M. – Real-Time Optimized Control of Water Distribution Systems. Leicester Polytechnic, UK, 1988.
TROJAN, F., MARÇAL, R., RESENDE, L., STADLER, C. – Automação em Sistemas Urbanos de Abastecimento de Água: Uma Ferramenta Para Redução de Perdas de Produção. Ponta Grossa, Paraná, 2005.
LAMBERT, A., Brown, T.G., Takizawa, M. e Weimer, D. - A review of performance indicators for real losses from water supply systems. AQUA, 1999.
LANDER, P. - MLOG: Comprehensive Pipeline Integrity Management For Water Distribution Systems. ITRON, 2005.
BRAGHIROLI, M. - Gestão Operacional para Redução de Perdas no Sistema de Abastecimento de Água da Unidade de Negócio Norte. SABESP, 2003.
Burn, S., Desilva, D., Eiswirth, M., Hunaidi, O., Speers e Thornton, J. – Pipe Leakage – Future Challenges and Solutions, 1999.
Denapoli, F., Oshiro, I., Hasegawa, H., e Berenhauser C. - Serviços de engenharia para controle de pressão e vazão com implantação de válvulas redutoras de pressão
(VRP) controladas por telemetria, 2001.
Mckenzie, R. S., e Wegelin, W. - Sebokeng/Evaton Pressure/Leakage Reduction: Public Private Partnership. 2005.
Levine, B., Lucas, J., Cynar, P., Hildebrand, T., e Morgan, W. - Pressure Management in the Pittsburgh Area: A Working
and Economical Solution, 2005.
Manuais:
FISHERLAB. Manual de Detector Acústico de Vazamento XLT-30. disponível em http://www.fisherlab.com/industrial/documents/XLT-30PORTUGESE.pdf
FLOWMETRIX. Manual e brochuras do sensor acústico fixo detector de vazamentos MLOG. Disponíveis em: http://www.flowmetrix.com
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BIOGRAFIA
André Granziera Miyake, , natural de São Paulo, Brasil, nascido em 14/12/1978. Aluno de graduação do curso de Engenharia Elétrica com ênfase em Energia e Automação Elétricas da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, formando em julho de 2007. Estagiou no Programa de Educação Continuada (PEC) do Estado de São Paulo em 2002 e pela Microsoft em 2003 no Laboratório Microsoft-USP.
André de Godoi Bueno, natural de São Paulo, Brasil, nascido em 24/06/1981. Aluno de graduação do curso de Engenharia Elétrica com ênfase em Energia e Automação Elétricas da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, formando em dezembro de 2007. Estagiou no Laboratório de Sistemas Integráveis da USP em 2004 e pela Teleimage em 2007.
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