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Introdução
Ao longo dos últimos anos, questões relacionadas com a insuficiência de água para consumo têm sido cada vez mais relevantes devido a um aumento demográfico exponencial, além do aumento dos níveis de consumos e da poluição libertada com impacto expressivo nas alterações ao equilíbrio global do ciclo natural da água (Donta, Lange e Herrmann, 2005; Harding, et al., 2011). Os atuais problemas de escassez deste recurso natural, aliados às previsões de um aumento exponencial da sua procura, tornaram a demanda pela eficiência e excelência de todo o processo de conceção e de exploração de sistemas de abastecimento de água, num aspeto essencial no que à sustentabilidade económica e natural diz respeito (Gleick, 1996; Martyusheva, 2014; Castanho, et al., 2017).
A era dos computadores digitais veio introduzir, no mercado, um poder de cálculo nunca antes visto na história da humanidade, possibilitando a resolução de complexos problemas matemáticos (Thomas, 2004; Torres-Tovar, 2019), tais como os relacionados com o cálculo do comportamento hidráulico de redes (Abbasbandy e Asady, 2004), numa tarefa mais acessível e eficiente, trazendo para o alcance de utilizadores comerciais a possibilidade de se realizarem modelos matemáticos digitais de simulação, outrora apenas ao alcance de investigadores, introduzindo no mercado ferramentas digitais capazes de aumentarem a eficiência da conceção e da exploração destes sistemas e, assim, reduzir custos os económicos e naturais (Coelho, Loureiro e Alegre, 2006; Covas e Monteiro, 2008).
A modelação digital de sistemas de abastecimento de água é, atualmente, a forma mais exata e económica de simular o comportamento de um sistema físico real (Martinez e Vargas, 2016), uma vez que este recorre ao enorme poder de cálculo digital existente no mercado, visando a rápida resolução de um conjunto de sistemas de equações de continuidade e de conservação da energia, utilizadas na formulação das condições de equilíbrio hidráulico de redes de distribuição. A partir do uso do poder de cálculo dos computadores modernos, é possível criar uma simulação digital, que represente um modelo realista e fidedigno do sistema em estudo, possibilitando ao projetista: realizar uma avaliação dos comportamentos hidráulicos existentes; testar diversas soluções aos problemas encontrados; e; até, avaliar os resultados das mesmas sem a necessidade de se recorrer a experiências realizadas num sistema real. Este modelo digital permite, assim, tornar o processo de conceção e gestão de sistemas de abastecimento de água num exercício muito mais eficiente. Possibilita, ainda, a previsão e a oti-mização de cenários energéticos de exploração - ao avaliarem-se os investimentos avultados necessários para conceber e manter sistemas deste tipo, tornam toda a operação economicamente viável (Bezerra, 2009; Goldman, et al., 2000; Gomes, 2011).
O presente estudo procura abordar as competências necessárias para a modelação e a análise de sistemas de abastecimento de água, ao nível do planeamento e projeto de um sistema novo, bem como ao nível do diagnóstico de sistemas já existentes, visando melhorar a sua eficiência, bem como aliá-lo a processos de planeamento urbanístico. A investigação desta temática poderá conduzir à concepção e à reabilitação de sistemas mais eficientes na forma como distribuem o recurso, conduzindo a sistemas mais viáveis tanto no âmbito económico como social - sustentáveis.
Neste sentido, e considerando a multidisciplinaridade necessária para gerir temáticas desta natureza, é colocada a seguinte questão: modelos hidráulicos de sistemas de abastecimento de àgua podem contribuir para diretrizes para um planeamento urbano sustentável e, consequentemente, para as tão desejadas cidades inteligentes/smart cities?
Sistemas de abastecimento de água
Um sistema de abastecimento de água (SAA) (Figura 1) é a infraestrutura responsável pela extração de água ao meio natural, pela adequação da sua qualidade, pelo seu transporte até aos aglomerados urbanos e pela sua distribuição aos consumidores em níveis qualitativos e quantitativos admissíveis (Tsutiya, 2005; Gomes, 2009; Soares, 2010). Os SAA são caracterizados como infraestruturas com um desenvolvimento longitudinal extenso, condicionadas pela topografia sobre a qual estão implantados, pela localização das origens de água, pela dispersão espacial e pela flutuação temporal das solicitações, por apresentarem uma execução complexa e morosa, de difícil reformulação envolvendo elevados investimentos de capitais e de recursos (Porto, 2006).
Um SAA é constituído por diferentes partes, cada uma das quais com uma função distinta, às quais correspondem diversos órgãos materializados sob a forma de construções civis, equipamentos elé-tricos, eletromecânicos e acessórios (Sousa, 2001 a, 2001 b, 2001 c). Na Tabela 1 estão discriminadas as partes constituintes de um SAA.
Após observação da Tabela 1 podemos verificar a correlação entre os subsistemas e os relativos órgãos que os constituem:
O sistema em alta é constituído pelas componentes relativas à produção e à adução a montante da rede pública de distribuição, nomeadamente, a captação, o transporte, o tratamento e os reservatórios de entrega (Alves, 2012).
O sistema em baixa é constituído pelas componentes relativas à distribuição a jusante do sistema em alta, nomeadamente, de condutas e respetivas derivações e de reservatórios pertencentes à rede pública de distribuição (Alves, 2012).
A caracterização peculiar e complexa destas infraestruturas, essenciais ao tecido urbano, aliada ao facto destes sistemas serem responsáveis pela alocação de um recurso finito e fundamental ao desenvolvimento sustentável do planeta, fazem com que todo o processo de conceção e de planeamento destes sistemas adquira uma importância vital (Britton, Stewart e O'Halloran, 2013).
O principal indicador da eficiência de serviço destes sistemas está relacionado com o controlo e a minimização das perdas de água (Morais, Cavalcante e Almeida, 2010). A diminuição destas permite reduzir custos de produção e de transporte, através da redução dos consumos energéticos e de uma melhor racionalização da utilização de produtos químicos no tratamento, e tem um grande impacto na gestão das reservas naturais do planeta (Olaia, 2012).
Para garantir a qualidade de vida, o investimento em saneamento básico é essencial, considerando dois fatores primordiais: a disponibilidade de água e a energia. O consumo mundial de energia nas redes de distribuição de água representa aproximadamente 7% da energia global. Por este motivo, deve ser alvo de maior atenção e objeto de estudos, tendo igualmente em conta as preocupações com o desenvolvimento sustentável, e com a melhoria da eficiência energética nos sistemas de abastecimento de água (Coelho e Campos, 2014).
Abordagem metodológica
Contextualmente, foi utilizada uma metodologia quantitativa, caracterizada pelo emprego da quantificação no processo de recolha de dados e no tratamento dos mesmos pelo recurso a técnicas estatísticas, sendo a metodologia frequentemente aplicada a estudos científicos descritivos e ideal para estudos hidráulicos. Abaixo encontra-se um esquema, resumindo a metodologia utilizada (Figura 2).
Caraterização das Áreas de Estudo
A sociedade responsável pela gestão e pela exploração do sistema de abastecimento de água do concelho de Câmara de Lobos é a Águas e Resíduos da Madeira, S.A. (ARM) sociedade composta exclusivamente por capitais públicos (ARM RC, 2014; 2015; 2016).
A empresa concessionária serve uma população de cerca de 81.400 habitantes, distribuídos por cinco municípios, totalizando um abastecimento em alta de 13,968,264 m3/ano. Do volume total aduzido aos sistemas de abastecimento foram faturados 4,578,445 m3 , nos pontos de consumo, o que representa uma perda global na ordem dos 71.0 % (Tabela 2). Refiram-se, entre outros, as perdas técnicas e os consumos não faturados, a percentagem extremamente elevada para viabilizar qualquer tentativa de equilíbrio financeiro e económico das concessões com base, unicamente, no tarifário cobrado (ARM RC, 2014; 2015; 2016).
As perdas por ineficiência, registadas nos municípios aderentes, indicam que há uma necessidade imperativa de se proceder a melhoramentos na rede de distribuição de água potável por forma a mitigar as referidas perdas, tornando o sistema mais eficiente, economicamente viável e sustentável (ARM RC, 2014; 2015; 2016).
A casuística selecionada para a realização do estudo, corresponde à Avenida da Nova Cidade, do concelho de Câmara de Lobos (Figura 3). Esta é uma avenida onde estão implantados empreendimentos habitacionais, comerciais e de serviços, havendo, portanto, diferentes tipos de consumos, em função da sua finalidade.
Métodos de análise
A construção de um modelo de simulação passa, numa fase inicial, por coligir informação relevante ao seu funcionamento. No caso de um modelo hidráulico torna-se necessário conhecer, previamente, as seguintes características (Pinto, 2010; Coelho, Loureiro e Alegre, 2006):
Topologia, geometria, altimetria e características da infraestru-tura física capazes de influenciar o comportamento hidráulico, tais como condutas, válvulas, reservatórios e bombas, caso existam.
Solicitações ao sistema em estudo, materializadas sob a forma de consumos e caudais, distribuídos espacial e temporalmente.
Funcionamento operacional do sistema, caso seja necessária a simulação de cenários de gestão técnica.
Iniciou-se a construção do modelo para o qual se definiram as unidades dos parâmetros a analisar. Uma vez que o software de análise hidráulica utilizado (Environment Protection Agency Network - EPANET) não possui uma plataforma de inserção de ficheiros CAD, realizou-se uma conversão do mesmo com o recurso a um software complementar, i.e., DXF2EPA - programa executável que permite importar uma rede de abastecimento desenhada em AutoCAD para o EPANET.
Posteriormente à sua determinação, os referidos parâmetros foram importados para o software, conduzindo a um modelo passivel de ser analisado em relação às condicionantes que interessam ao projetista e/ou atores envolvidos no processo.
Resultados e análise
Após a construção do modelo foi possível realizar análises ao comportamento hidráulico da rede. Neste sentido, iniciaram-se análises às pressões, definindo-se, numa primeira fase, os intervalos de pressões legalmente estabelecidos e convertidos a metros coluna de água.
Equação 1. Pressão (m.c.a.)
A equação 1 permite calcular a pressão necessária ao nível do solo, em função do número de pisos de cada edifício a abastecer.
Os intervalos intermédios a considerar, nesta modelação, correspondem: à pressão mínima para edificações de um só 1 piso (R/C - Rés do Chão = 14 m.c.a.); ao valor intermédio para construções com 3 pisos acima do solo (R/C + 2 = 22 m.c.a.); a outro valor intermédio para infraestruturas com 6 pisos acima do solo (R/C + 5 = 34 m.c.a.); e ao valor máximo regulamentar de 60 m.c.a..
Posteriormente, foi analisado o sistema à hora de maior consumo (08:00), sendo que é, nesta hora, que, empiricamente, se verificam as pressões mais baixas. Uma vez realizada a análise dos resultados, concluiu-se que, neste modelo base, as pressões resultantes são todas superiores à pressão máxima regulamentar de 60 m.c.a.
Este facto é resultante da topografia acidentada da zona analisada, o que motiva significativas variações altimétricas, oscilações entre o ponto de energia (reservatório) e os pontos de consumo, originando cargas piezométricas elevadas. Deve ser salientada, ainda, a considerável extensão da rede, desvalorizando as perdas contínuas e localizadas de energia, existentes a montante do arruamento em estudo, pela sua morosidade de cálculo (dimensão da rede) (Figura 4).
Fonte: autor.
Figura 4 Distribuição espacial das pressões à hora de maior consumo (08:00) no modelo base
Posteriormente, analisaram-se as velocidades, ao longo das tubagens (no modelo base), salientando-se que a análise em apreço de velocidades foi realizada para os caudais de ponta instantâneos, e não para os caudais de ponta, no horizonte de projeto da infra-estrutura, como sugere o regulamento vigente - perfazendo uma análise meramente indicativa (Figura 5).
Fonte: autor.
Figura 5 Distribuição espacial das velocidades à hora de maior consumo (08:00) no modelo base
Contextualmente, considerou-se o enunciado estabelecido legalmente para a velocidade mínima, i.e., para o caudal de ponta toma o valor de 0.3 m/s - sendo a velocidade máxima em m/s (Equação 2).
Equação 2. Velocidade máxima (m/s)
Di - diâmetro interno da tubagem em mm.
Para realizar o enquadramento legal do sistema de distribuição em análise, recorreu-se aos órgãos de regulação, manobra e segurança, disponíveis no EPANET, por forma a: adequar as pressões verificadas; reavaliar as opções relativas aos diâmetros internos adotados de modo a reduzir as velocidades excessivas verificadas, sabendo-se que, ao aumentar os diâmetros reduzem-se as velocidades verificadas. Portanto, foi adotada, nesta fase, uma pressão mínima conservativa para o arruamento de 34 m.c.a. (Equação 1), equivalente a um edifício de 6 pisos e suficiente para realizar o abastecimento, em altura, de todos os empreendimentos ao longo do desenvolvimento do arruamento.
Contudo, verificou-se que, à hora de ponta, existiam pressões inferiores à mínima, assim, adotou-se o valor de 35 m.c.a. como valor da pressão, a montante do arruamento - já que todo o sistema fica enquadrado legislativamente em termos de pressões máximas, para as horas do dia com menores solicitações, e em termos de pressões mínimas, durante as horas de ponta (Figura 6).
Fonte: autores.
Figura 6 Distribuição espacial das pressões à hora de maior consumo (08:00), no modelo alterado, com uma VRP definida para a pressão de 35 m.c.a.
Posteriormente, retiraram-se os valores das pressões de entrada nos empreendimentos (Tabela 3) (resultados do Modelo base com uma VRP - válvula redutora de pressão).
Tabela 3 Pressões mínimas, ao nível do solo, e pressões verificadas nos nós de entrada
Fonte: autores.
Embora a gama de pressões verificada seja suficiente para a verificação da pressão mínima e da máxima em todos os empreendi mentos, existem ainda, diferenças em relação à pressão mínima desnecessárias e contraproducentes ao bom funcionamento hidráulico do sistema predial de distribuição.
Com o intuito de minimizar os desgastes nas tubagens da rede de distribuição, isto é, minimizar o diferencial entre a pressão verificada e a pressão mínima regulamentar, por um lado, modelaram-se novas válvulas redutoras de pressão, ao longo da rede, adequando a pressão de entrada ao número de pisos a abastecer; por outro, promoveu-se uma redução da pressão média de entrada nas derivações privadas, garantindo maior sustentabilidade económica, eficiência e rendimento global dos sistemas prediais, a longo prazo. Estas foram inseridas à entrada dos empreendimentos a servir por constituir o ponto de transição entre a rede pública de distribuição e a rede predial.
Posteriormente à modelação de novas válvulas redutoras de pressão ao longo do sistema, retiraram-se, novamente, os valores da pressão nos nós de entrada dos empreendimentos. Através da análise da Tabela 4 foi possível verificar que já não existem excessos consideráveis de pressão à entrada dos empreendimentos, e que a pressão média de entrada sofreu uma redução de 35.4 % em relação ao modelo constituído por uma única VRP, a montante. Esta redução na pressão de entrada será traduzida num melhor funcionamento técnico da infraestrutura, permitindo uma redução de custos de manutenção, devido ao desgaste e a roturas de condutas, o que implica um aumento da sustentabilidade económica da rede pública e das redes prediais.
Tabela 4 Pressões mínimas ao nível do solo e pressões verificadas nos nós de entrada para a hora de ponta (08:00) após a modelação de novas VRP
Fonte: autores.
Respeitante à sustentabilidade do funcionamento do sistema, refira-se uma outra oportunidade de intervenção, nomeadamente ao nível dos diâmetros internos escolhidos para a conduta principal, de modo a obter uma redução das velocidades excessivas verificadas nas tubagens do modelo base. A gama de pressões, verificada nesta fase, já permite realizar um aumento do diâmetro interno da conduta principal, desde que a pressão máxima de serviço, da conduta, adotada não seja inferior à das pressões verificadas no modelo. Portanto, foi aumentado o diâmetro interno da conduta principal para o valor de 150.6 mm, cuja pressão máxima de serviço se situa no valor de 600 kPa (aproximadamente 60 m.c.a.).
Na nova distribuição espacial das velocidades (Figura 7) pode ve-rificar-se que, com o aumento dos diâmetros internos da conduta principal, as condutas onde se confirmam velocidades excessivas situam-se na ordem dos 18.0 %, - com esta alteração ao modelo este parâmetro sofreu uma redução pouco significativa de 2.0 %.
Fonte: autores.
Figura 7 Distribuição espacial das velocidades à hora de maior consumo (08:00) no modelo alterado
Para analisar-se o que ocorre no sistema, além das horas de ponta, exportou-se do software a variação diária da velocidade instantânea, numa conduta em que se verificassem velocidades excessivas à hora de ponta, denominada de Conduta "128" (Figura 8).
Da observação da Figura 8, constatou-se que as excedências de velocidades apenas se verificam nas horas de ponta (manhã e final do dia), sendo que, nas restantes horas, os valores obtidos cumprem os requisitos legislativos.
Relativamente à Equação 2, é de notar que a mesma é transcrita da legislação Portuguesa em vigor (DR n° 23/95), a qual refere que as velocidades não podem ser ultrapassadas para o ano de horizonte do projeto. Além disso, como se prevê uma tendência ascendente deste parâmetro hidráulico, com o passar do tempo, devido ao crescimento demográfico, pode inferir-se que este problema só irá intensificar-se futuramente, caso não sejam tomadas medidas e políticas de sustentabilidade.
Considerações finais
Os SAA são infraestruturas de engenharia civil responsáveis pelo fornecimento de um recurso tão vital às populações como é o da água. Considerando as desafiadoras previsões demográficas, é essencial que estes sistemas estejam sujeitos a critérios elevados de eficiência, visando não só a redução de custos mas também a das perdas de água - i.e. redução dos custos de capital inicial e de exploração, os quais se encontram, atualmente, em patamares consideravelmente avultados, o que compromete a sustentabilidade económica dos sistemas em apreço, vitais no tecido urbano - questões definidas como essenciais para um desenvolvimento sustentável.
A possibilidade de utilização de softwares de simulação, recorrendo ao enorme poder de cálculo dos computadores atualmente disponíveis, torna todo o processo de cálculo das condições de equilíbrio hidráulicas numa tarefa mais acessível e dinâmica. Contribuem, igualmente, para a eficácia de todo o processo de conceção e previsão de cenários de serviço, numa fase de maior acessibilidade e eficiência - uma vez que permitem a redução de tempos, despendidos anteriormente na morosa tarefa de cálculo hidráulico, libertando o(s) projetista(s) para a vertente de previsão e de análise técnica de cenários de funcionamento de serviço hidráulico.
A eficiência de cálculo verificada permite maior versatilidade e re-siliência na previsão de comportamentos hidráulicos, uma vez que permitem a capacidade dos projetistas testarem diversas soluções de serviço analisando a viabilidade técnica de cada uma - numa fase pré-construtiva, o que leva, uma vez mais, a uma redução de custos de investimento inicial.
Após o enquadramento legal do sistema, relativamente a pressões, o estudo analisou uma fase de alteração ao modelo base enquadrado de modo a serem previstas pressões de entrada nos empreendimentos particulares, o que contribui para a sua fiabilidade. O estudo recorreu a novas válvulas redutoras de pressão na transição entre a rede geral e a rede predial de distribuição, tendo alcançado uma redução do diferencial entre a pressão verificada e a pressão mínima à entrada, na ordem dos 92.3 % (em relação ao modelo base).
O trabalho possibilitou, ainda, veirificar, após a análise do modelo, que as elevadas perdas no sistema de distribuição estão associadas a elevadas pressões e velocidades a que os componentes da rede estão sujeitos, devido à orografia da Ilha da Madeira. Por conseguinte, foi possível tornar a distribuição de água num modelo economicamente viável tanto ao nível monetário como ao nível social. Assim, é necessário não só proceder-se a atualizações das componentes da rede, mas também a uma actualização dos diâmetros e dos materiais, para que as perdas de água sejam reduzidas a um valor aceitável.
Neste sentido, é possível encontrar uma relação inequívoca entre a temática de hidráulica abordada e a das questões de planeamento urbanístico. Procurando alcançar economias e territórios sustentáveis, questões de multidisciplinaridade decorrentes não podem ser descuidadas, sendo estas as bases para um tão desejado planeamento sustentável. Assim, cada vez mais, os principais atores e decisores do planeamento urbanístico devem considerar as questões das especialidades, promovendo um crescimento e desenvolvimento sustentáveis, rumo às cidades inteligentes/ smart cities.
Como última análise, estudos futuros e, de alguma forma, similares, são vistos como catalizadores de uma nova 'geração' de urbanistas - pautados pela promoção de uma melhor qualidade de vida das populações, não comprometendo, todavia, o poder de decisão de planeamento dos territórios para as gerações futuras.
