Integração de Modelos Matemáticos de Simulação de Sistemas ... · DE SIMULAÇÃO DE SISTEMAS...
102
Outubro 2009 Integração de Modelos Matemáticos de Simulação de Sistemas de Drenagem Urbana com Sistemas de Informação Geográfica Maria Luís Borrega Ensinas Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil Júri Presidente: Professor Doutor João Nuno de Almeida Reis Hipólito Orientador: Professor Doutor Eduardo Augusto Ribeiro de Sousa Vogal: Professor Doutor António Jorge Silva Guerreiro Monteiro
Transcript of Integração de Modelos Matemáticos de Simulação de Sistemas ... · DE SIMULAÇÃO DE SISTEMAS...
Outubro 2009
Integração de Modelos Matemáticos
de Simulação de Sistemas de Drenagem Urbana
com Sistemas de Informação Geográfica
Maria Luís Borrega Ensinas
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Civil
Júri
Presidente: Professor Doutor João Nuno de Almeida Reis Hipólito
Orientador: Professor Doutor Eduardo Augusto Ribeiro de Sousa
Vogal: Professor Doutor António Jorge Silva Guerreiro Monteiro
2 cm
2 cm
_________________________________________________________________________________
i
INTEGRAÇÃO DE MODELOS MATEMÁTICOS
DE SIMULAÇÃO DE SISTEMAS DE DRENAGEM URBANA
COM SISTEMAS DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA
Maria Luís Borrega Ensinas
RESUMO
O crescimento acelerado dos centros urbanos que se tem verificado nas últimas décadas tem
originado problemas graves na drenagem de águas pluviais devido ao aumento progressivo de áreas
impermeáveis, o que levou ao desenvolvimento de sistemas de drenagem destas águas.
Para projectar e testar o comportamento hidráulico dos sistemas de drenagem recorre-se a
modelos matemáticos de simulação, como o Storm Water Management Model (SWMM), que constitui
uma ferramenta particularmente útil na concepção ou reabilitação dos sistemas existentes.
Por outro lado, a utilização dos Sistemas de Informação Geográfica (SIG) por parte das
entidades gestoras do saneamento básico, permite também melhorar a organização da informação
cadastral, tornando assim mais eficaz a gestão das infra-estruturas no apoio aos projectos face ao
seu planeamento, exploração e manutenção.
A existência em paralelo de duas bases de dados distintas, uma de cadastro e outra para
alimentar o modelo de simulação obriga a um esforço acrescido da parte da entidade gestora para
manter as duas bases de dados actualizadas. No entanto, uma parte significativa da informação
necessária para o modelo de simulação já se encontra no cadastro da entidade gestora e construir o
ficheiro de dados do modelo de simulação com base no cadastro é uma tarefa morosa, e sujeita a
erros se for efectuado de forma manual. Nestas circunstâncias, a criação de uma base de dados do
cadastro com uma estrutura adequada pode permitir uma fácil automatização deste processo.
Constitui assim uma mais-valia a integração entre o sistema de cadastro e o ficheiro de dados do
modelo de simulação e o SIG no apoio dessa tarefa, é uma ferramenta que permite facilitar o
trabalho.
O objectivo da presente dissertação foi a integração do SWMM na solução de SIG
G/InterAqua™. Para tal, procedeu-se a um estudo detalhado de ambos os programas e
complementou-se a estrutura da base de dados do cadastro de forma a ser adequada às
necessidades do modelo SWMM. Finalmente fez-se uma aplicação prática onde se recorreu a um
projecto do subsistema de Beirolas da rede de Lisboa, gerido pela Empresa SIMTEJO - Saneamento
Integrado dos Municípios do Tejo e Trancão, S.A., do Grupo Águas de Portugal, com o uso do
modelo matemático SWMM.
Palavras-chave: Sistemas de Informação Geográfica; solução de SIG G/InterAqua™; SWMM;
Modelação matemática.
_________________________________________________________________________________
ii
_________________________________________________________________________________
iii
INTEGRATION OF WASTEWATER URBAN SYSTEM MATHEMATIC
MODELS AND GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEMS
Maria Luís Borrega Ensinas
ABSTRACT
The fast growth of urban areas that took place in the last decades has brought severe
problems in drainage of storm waters, due to increase of impermeable areas, this has lead to the
development of storm water drainage systems.
To design and test the hydraulic performance of drainage systems resort to mathematical
simulation models such as Storm Water Management Model (SWMM), which is a particularly useful
tool in the design or rehabilitation of existing systems.
Furthermore, the use of Geographic Information Systems (GIS) by the managing entities of
sanitation also improve the organization of register information, making it more effective management
of infrastructure in support of projects related to its planning, operation and maintenance. Since an
important part of the information required by mathematical modelling is registered in GIS database, a
main issue nowadays is to integrate these two tools.
The relation of two different databases, a registration and another to feed the simulation model
requires a greater effort on the part of managing to keep both databases updated. However, a
significant part of the information, needed for the simulation model, is already in the record of
managing, and building the data file of the simulation model based on the register is a time consuming
and an error prone if it’s done manually. In these conditions, the creation of a database record with a
properly structured can allow an easy automation of this process. Thus, it is an asset to integrate the
registration system and the data file of the simulation model, and GIS in support of this task is a tool to
facilitate the work.
The present dissertation objective was the integration of SWMM and a GIS tool named
G/InterAqua™. For that it was necessary to proceed a case study of both programs and a practical
application based on subsystem of Beirolas (Lisbon area), managed by SIMTEJO - Saneamento
Integrado dos Municípios do Tejo e Trancão, S.A., a Grupo Águas de Portugal company, with the use
of mathematical model SWMM.
Keywords: Geographic Information Systems; GIS G/InterAqua™ solution; mathematical modeling;
SWMM.
_________________________________________________________________________________
iv
_________________________________________________________________________________
v
AGRADECIMENTOS
Gostaria de dedicar este espaço, a todos os que, directa ou indirectamente, prestaram a sua
preciosa e indispensável contribuição, com a qual enriqueceram e tornaram possível a realização
deste enorme desafio.
Ao Professor Eduardo Augusto Ribeiro de Sousa, orientador científico desta dissertação, pela
oportunidade que me proporcionou em realizar esta dissertação.
À AQUASIS, Sistema de Informação, S.A., organização na qual a dissertação foi realizada,
pela disponibilidade de todos os meios físicos/técnicos/humanos e as facilidades concedidas no
decorrer da sua elaboração.
A todos os colaboradores da AQUASIS, Sistema de Informação, S.A., agradeço os
conhecimentos transmitidos e toda a experiência adquirida no contacto directo com o dia-a-dia de
uma equipa extremamente profissional, e em especial: à Umbelina Sousa e à Anabela Paiva, pelo
modo como me integraram na equipa de trabalho e toda a ajuda prestada; ao Eng.º Carlos Mariano
pela informação transmitida e todo o apoio prestado; ao Eng.º Carlos Godinho, pelo seu apoio desde
o meu primeiro dia, bem como a constante amizade e disponibilidade, incentivos e sugestões; à Eng.ª
Ana Luísa Cunha, pela sempre boa disposição e pela ajuda na inserção dos dados; ao Eng.º Mário
Montez, pelo companheirismo e pelo apoio nos ensinamentos fundamentais na utilização do
programa de interacção geográfica que serviu de base à realização desta dissertação. De salientar, o
Eng.º Alexandre Yip, pela sua disponibilidade total, por todo o tempo que generosamente me dedicou,
pela ajuda crucial na integração realizada aquando da programação vs erros surgidos e pela crítica
sempre atempada e muito construtiva.
À SIMTEJO - Saneamento Integrado dos Municípios do Tejo e Trancão, S.A., por toda a
informação fornecida e ao Eng.º Pedro Póvoa pelos meios disponibilizados nesta dissertação.
À Eng.ª Maria da Conceição V. David por todos os conhecimentos transmitidos,
nomeadamente no domínio da modelação matemática, pela constante amabilidade, disponibilidade e
respectivas sugestões, que muito contribuíram para o desenvolvimento deste trabalho.
À Ana Ricardo e à Mariana Simão por todo o apoio prestado.
Ao meu namorado um especial obrigado por toda a sua paciência e dedicação
Ao Professor António Monteiro pelas sugestões preciosas na edição final desta dissertação.
Finalmente, apenas realçar um forte agradecimento a todos aqueles que não foram
mencionados, pois terei outras formas de o fazer. A todos estes, o meu sincero obrigado.
_________________________________________________________________________________
vi
_________________________________________________________________________________
vii
Índice de Texto
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................................... 1
1.1. Relevância do tema ...................................................................................................................... 1
1.2. Objectivos ..................................................................................................................................... 2
1.3. Estrutura da Dissertação .............................................................................................................. 2
2. MODELAÇÃO MATEMÁTICA DE SISTEMAS DE DRENAGEM URBANA ..................................... 5
2.1. Considerações Introdutórias ......................................................................................................... 5
2.2. Tipos de Sistemas de Drenagem ................................................................................................. 6
2.3. Componentes dos Sistemas de Drenagem .................................................................................. 7
2.4. Etapas do Processo de Modelação .............................................................................................. 8
2.5. Princípios de Formulação dos Modelos ........................................................................................ 8
2.5.1. Sistema de Drenagem Urbana............................................................................................... 8
2.5.2. Modelo Hidrológico ................................................................................................................ 9
2.5.3. Modelo Hidráulico ................................................................................................................ 12
2.6. Programas Existentes para Modelação de Redes de Drenagem Urbana ................................. 14
3. MODELO MATEMÁTICO SWMM DE SISTEMAS DE DRENAGEM URBANA ............................. 17
3.1. Programa SWMM ....................................................................................................................... 17
3.1.1. Apresentação Geral do SWMM ........................................................................................... 17
3.1.2. Componentes Físicos ou Entidades do SWMM .................................................................. 18
3.1.3. Componentes Virtuais .......................................................................................................... 24
3.2. Exemplo de Construção de um Modelo no SWMM .................................................................... 24
4. SISTEMA DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA ................................................................................. 27
4.1. Considerações Gerais ................................................................................................................ 27
4.2. Definição de SIG ......................................................................................................................... 27
4.3. Funcionalidade Genérica ............................................................................................................ 28
4.4. A solução de SIG G/InterAqua™ ................................................................................................ 28
4.4.1. Apresentação Global da Solução SIG G/InterAqua™ ......................................................... 28
4.4.2. Módulos dos Diversos Temas .............................................................................................. 30
4.4.3. Módulo para Modelação Matemática de Drenagem Urbana ............................................... 34
_________________________________________________________________________________
viii
5. INTEGRAÇÃO DO SWMM COM A SOLUÇÃO DE SIG G/INTERAQUA™ .................................... 35
5.1. Considerações Introdutórias ....................................................................................................... 35
5.2. Opções de Simulação ................................................................................................................. 35
5.3. Interface das Entidades e dos Atributos ..................................................................................... 36
5.4. Ficheiro Topológico ..................................................................................................................... 44
6. CASO DE ESTUDO .......................................................................................................................... 47
6.1. Enquadramento .......................................................................................................................... 47
6.2. Apresentação da SIMTEJO ........................................................................................................ 50
6.3. Modelo Matemático do Subsistema de Beirolas ........................................................................ 51
6.4. Ficheiro Topológico do Subsistema EE12 de Beirolas ............................................................... 53
7. SÍNTESE CONCLUSIVA E RECOMENDAÇÕES ............................................................................ 65
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................................... 67
_________________________________________________________________________________
ix
Índice de Figuras
Figura 1 - A modelação nas diferentes fases do projecto (adaptado de David, 2005). ................................... 5
Figura 2 - Esquema ilustrativo de um sistema unitário e de um sistema separativo (adaptado de
http://editorial.cda.ulpgc.es/instalacion/7_OPTATIVAS/IHA/FOTOS/sanea002.jpg,
consultado em 2009). ..................................................................................................................... 6
Figura 3 - Processos de um sistema de drenagem (adaptado de Carvalho, 2008). ........................................ 9
Figura 4 - Modelo do escoamento superficial (adaptado de Rossman, 2008). .............................................. 10
Figura 5 - Infiltração de acordo com o Modelo de Horton (Portela, 2006). .................................................... 11
Figura 6 - Relação entre os módulos estruturais do SWMM (adaptado de Huber & Dickinson, citado
por Meller, 2004). ......................................................................................................................... 17
Figura 7 - Componentes físicos no modelo de um sistema de drenagem (adaptado de Rossman,
2008). ........................................................................................................................................... 18
Figura 8 – Esquema dos tipos das bacias pluviais (adaptado de Ferreira, 2007). ........................................ 19
Figura 9 - Curva característica tipo II (adaptado de Rossman, 2008). .......................................................... 23
Figura 10 - Exemplo realizado no SWMM a partir do manual (SWMM, 2009). ............................................. 25
Figura 11 - Objectivos de um SIG. ................................................................................................................ 27
Figura 12 - Temas de informação da solução de SIG G/InterAqua™ (AQUASIS1, 2007). ............................ 29
Figura 13 - Caixa de diálogo do Módulo Administração no tema Saneamento ............................................. 30
Figura 14 - Estrutura do modelo (AQUASIS, 2009). ...................................................................................... 31
Figura 15 - Exemplo de uma componente comum a todas as entidades e outra componente específica
de uma entidade (Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009). ............................... 31
Figura 16 - Quadro de registo da entidade “câmara normal” do G/InterAqua™ ............................................ 32
Figura 17 - Exemplo de um atributo com lista (Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009). .... 32
Figura 18 - Campo multimédia para uma câmara com descarregador .......................................................... 33
Figura 19 - Parte de um ficheiro topológico (tubagens), de entrada para o EPANET (AQUASIS2, 2007). .... 34
Figura 20 - Caixa de diálogo do SWMM para as opções da simulação (Fonte: SWMM, 2009). ................... 36
Figura 21 - Explicação do Inlet offset e Outlet offset (Rossman, 2008). ........................................................ 40
Figura 22 - Comando da barra de ferramentas da solução de SIG G/InterAqua™ para gerar o ficheiro
topológico para o SWMM (adaptado da solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009). ........ 44
Figura 23 - Caixa de diálogo para a geração do ficheiro topológico .............................................................. 45
Figura 24 - Entidades gestoras responsáveis pelo serviço de saneamento de águas residuais em alta
(Fonte: www.adp.pt, 2009). .......................................................................................................... 48
Figura 25 - Procedimento para as águas residuais (INAG, IRAR e AdP, 2008). ........................................... 49
Figura 26 - Área de intervenção da SIMTEJO (adaptado de www.simtejo.pt, 2009)..................................... 50
Figura 27 - ETAR de Beirolas (Fonte: www.SIMTEJO.pt, 2009). .................................................................. 52
Figura 28 - Na esquerda carta militar com as bacias georreferenciadas do modelo de Beirolas, na
direita ortofotomapa com as bacias georreferenciadas do subsistema EE12 de Beirolas ........... 53
Figura 29 - Carta militar com o udómetro georreferenciado no subsistema EE12 ........................................ 54
Figura 30 - Ortofotomapa com as bacias de drenagem georeferenciadas do subsistema EE12 de
Beirolas. (Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009). ............................................ 55
Figura 31 - Ortofotomapa com as câmaras de visitas georreferenciadas ..................................................... 56
_________________________________________________________________________________
x
Figura 32 - Fotografia da câmara de visita 401 (Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS,
2009). ........................................................................................................................................... 56
Figura 33 - Fotografia da câmara de visita antes da limpeza (Fonte: solução de SIG G/InterAqua™,
AQUASIS, 2009). ......................................................................................................................... 56
Figura 34 - Fotografia da câmara de visita após limpeza (Fonte: solução de SIG G/InterAqua™,
AQUASIS, 2009). ......................................................................................................................... 56
Figura 35 - Ortofotomapa com a rede georreferenciada ............................................................................... 57
Figura 36 - Bacias de drenagem e câmaras com descarregador - subsistema EE12 de Beirolas
georreferenciadas (Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009). ............................. 58
Figura 37 - Corte transversal da câmara com descarregador 101272 do subsistema da EE12 de
Beirolas (Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009). ............................................ 58
Figura 38 - Ortofotomapa com a representação do poço de bombagem da EE12........................................ 59
Figura 39 - Caixa de diálogo das regras de controlo (Sisaqua e Cenor, 2007). ............................................ 60
Figura 40 - Ortofotomapa com a conduta elevatória georreferenciada ......................................................... 60
Figura 41 - Ortofotomapa com os pontos de rejeição georreferenciados ...................................................... 61
Figura 42 - Opções da caixa de diálogo para a geração do ficheiro topológico ............................................ 62
Figura 43 - Caixa de diálogo dos resultados (Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009). ...... 63
Figura 44 - Esquema do subsistema EE12 de Beirolas em SWMM gerado a partir da solução de SIG
G/InterAqua™. .............................................................................................................................. 63
Figura 45 - Esquema do subsistema de Beirolas em SWMM (Fonte: Modelo do subsistema de
Beirolas Sisaqua e Cenor em SWMM, 2007). .............................................................................. 64
Índice de Quadros
Quadro 1 - Modelos utilizados por programas de simulação de drenagem urbana (adaptado de
Ferreira, 2006 citado por Amorin, 2008) ....................................................................................... 15
Quadro 2 - Tipo de descarregadores existentes no SWMM (adaptado de Rossman, 2008) ......................... 22
Quadro 3 - Associações entre as entidades do SWMM e da solução de SIG G/InterAqua™ ....................... 37
Quadro 4 - Atributos carregados na entidade UDÓMETRO .......................................................................... 38
Quadro 5 - Atributos carregados na entidade BACIA PLUVIAL .................................................................... 38
Quadro 6 - Atributos carregados na entidade CÂMARA NORMAL ............................................................... 39
Quadro 7 - Atributos carregados na entidade troço de COLECTOR e TROÇO DE EMISSÁRIO ................. 40
Quadro 8 - Atributos carregados na entidade CÂMARA COM DESCARREGADOR .................................... 41
Quadro 9 - Atributos carregados na entidade POÇO DE BOMBAGEM ........................................................ 42
Quadro 10 - Atributos carregados na entidade POÇO DE BOMBAGEM (Continuação) ............................... 43
Quadro 11 - Atributos carregados na entidade GRUPO ELECTROBOMBA ................................................. 43
Quadro 12 - Atributos carregados na entidade PONTO DE REJEIÇÃO ....................................................... 44
Quadro 13 - Subsistemas de Saneamento dos Sistemas Multimunicipais de Saneamento da SIMTEJO .... 51
Quadro 14 - Unidades de medida seleccionadas no SWMM ........................................................................ 62
_________________________________________________________________________________
xi
Anexos
Anexo 1 – Tabela das Entidades de Sistemas de Águas Residuais na Solução de SIG
G/InterAqua™
Anexo 2 – Descrição dos Atributos das Entidades
Anexo 3 – Quadro de Apoio à Observação dos Atributos em Comum nas Entidades
Anexo 4 – Relatório das Características das Entidades
_________________________________________________________________________________
xii
_________________________________________________________________________________
xiii
Lista de Siglas, Símbolos e Abreviaturas
AdP Águas de Portugal
B Bacia
D Duração D
EE Estação Elevatória
ETAR Estação de Tratamento de Águas Residuais
EPA Environmental Protection Agency
H Profundidade do nível de água no poço de bombagem
ha Hectare
HUD Hidrograma unitário com duração D
INAG Instituto da Água
IRAR Instituto Regulador de Águas e Resíduos
m Metro
n Coeficiente de rugosidade de Manning
Q Caudal
s Segundo
SCS Soil Conservation Service
SI Sistema Internacional
SIG Sistema(s) de Informação Geográfica
SWMM Storm Water Management Model
TM Marca registada
_________________________________________________________________________________
xiv
_________________________________________________________________________________
1
1. Introdução
1.1. Relevância do tema
O crescimento acelerado dos centros urbanos, que se tem verificado nas últimas décadas, e
a consequente criação de passeios e vias de comunicação têm originado problemas graves na
drenagem de águas pluviais. Os solos, outrora permeáveis, têm sido progressivamente
impermeabilizados, dificultando o escoamento destas águas. Para minimizar esta situação, foram
criadas infra-estruturas para transportar e tratar essas águas pluviais.
Estas soluções de drenagem, para além dos elevados custos associados, provocam grandes
incómodos às populações durante a execução das respectivas obras sendo necessário ser
adequadamente projectados para reduzir a necessidade de uma futura ampliação e os custos sociais
que isso acarreta.
A utilização de modelos de simulação constitui uma ferramenta particularmente útil na fase de
projecto, na concepção ou reabilitação dos sistemas existentes, para diagnosticar o respectivo
funcionamento. Nomeadamente, revela-se útil para avaliar a capacidade dos sistemas existentes e
testar soluções para resolver os problemas detectados. É também útil na fase de operação para
testar diferentes formas de explorar os sistemas para situações tipo existentes ou que se
perspectivem no futuro.
Os projectistas e as entidades gestoras devem estar apetrechados de meios materiais e
capacidade técnica para que os seus quadros técnicos possam utilizar modelos matemáticos de
simulação que permitam a obtenção da solução mais adequada que satisfaçam os objectivos
pretendidos.
A utilização dos Sistemas de Informação Geográfica por parte das entidades gestoras do
saneamento básico, permite melhorar a organização da informação cadastral, tornando assim mais
eficaz a gestão das infra-estruturas no apoio aos projectos face ao seu planeamento, exploração e
manutenção. É de referir, também, que o crescimento tecnológico tem permitido uma melhoria
qualitativa das bases de dados e da respectiva conjugação com a informação georreferenciada.
A existência em paralelo de duas bases de dados distintas, uma de cadastro e outra para
alimentar o modelo de simulação obriga a um esforço acrescido da parte da entidade gestora para
manter as duas bases de dados actualizadas. No entanto, uma parte significativa da informação
necessária para o modelo de simulação já se encontra no cadastro da entidade gestora e construir o
ficheiro de dados do modelo de simulação com base no cadastro é uma tarefa morosa, e sujeita a
erros se for efectuado de forma manual. A criação de uma base de dados do cadastro com uma
estrutura adequada pode permitir uma fácil automatização deste processo. Nestas circunstâncias a
entidade gestora só se terá que preocupar em actualizar uma única base de dados e deixa de ter
necessidade de actualizar, por um lado, o cadastro, e, por outro, o ficheiro de dados do modelo.
_________________________________________________________________________________
2
Nesta dissertação, procedeu-se à integração do Storm Water Management Model (SWMM)
com a solução SIG designada G/InterAqua™. O SWMM, da Environmental Protection Agency (EPA),
é um programa de modelação do comportamento dinâmico dos sistemas de drenagem em meio
urbano, disponível gratuitamente, de ampla divulgação e utilização. A solução de SIG G/InterAqua™
é uma solução de Sistemas de Informação Geográfica desenvolvida pela AQUASIS, Sistema de
Informação, S.A., a qual inclui funcionalidades adequadas aos processos de planeamento, operação
e manutenção de infra-estruturas de saneamento básico em exploração em diversas empresas do
sector, sendo um instrumento indispensável para uma gestão eficaz dos sistemas de águas residuais
e de abastecimento de água.
1.2. Objectivos
O objectivo da presente dissertação é a integração do SWMM com a solução de SIG
G/InterAqua™. Para atingir este objectivo, desenvolveu-se a seguinte metodologia :
o procedeu-se ao estudo detalhado de ambos os programas;
o complementou-se a estrutura da base de dados do cadastro de forma a ser
adequada às necessidades do modelo SWMM; e
o fez-se uma aplicação prática recorrendo-se a um projecto gentilmente cedido pela
SIMTEJO - Saneamento Integrado dos Municípios do Tejo e Trancão, S.A. (adiante
designada abreviadamente por SIMTEJO) com o uso do modelo matemático SWMM,
para planear a intervenção na rede do subsistema de Beirolas no sentido de reduzir
as afluências pluviais ao sistema.
Esta integração torna-se muito importante, uma vez que permite um melhor aproveitamento,
por parte das entidades gestoras, do esforço dispendido na obtenção de um bom cadastro já que
permite recorrer à solução de SIG G/InterAqua™ para de forma automática obter os dados correctos
para recorrer à modelação matemática (SWMM).
1.3. Estrutura da Dissertação
A presente dissertação encontra-se estruturada em 7 Capítulos e 4 Anexos.
Ao capítulo introdutório (Capítulo 1), sucede-se o Capítulo 2, onde é feita uma abordagem da
drenagem urbana, descrevendo o processo de modelação e os princípios de formulação de modelos
matemáticos de comportamento de sistemas de drenagem. Reporta-se, também, alguns dos
programas existentes para modelação de sistemas de drenagem urbana.
No Capítulo 3, procede-se à descrição e caracterização do modelo SWMM, onde são
enumerados os componentes físicos envolvidos.
_________________________________________________________________________________
3
No Capítulo 4, reportam-se os Sistemas de Informação Geográfica (SIG) como ferramenta de
trabalho onde a solução adoptada foi a solução de SIG G/InterAqua™, solução que apoia outras
entidades gestoras na aquisição de um bom cadastro.
No Capítulo 5, expõe-se a integração do módulo SWMM com a solução de SIG
G/InterAqua™.
O Capítulo 6 refere-se ao caso de estudo, onde é apresentado o subsistema da estação
elevatória número 12 de Beirolas, gerido pela SIMTEJO.
Finalmente, no Capítulo 7 sintetizam-se as conclusões da dissertação e apresentam-se
algumas recomendações para a utilização do SIG na modelação matemática dos sistemas de
drenagem.
Nos Anexos, encontra-se uma descrição detalhada dos atributos das entidades e os
respectivos relatórios.
_________________________________________________________________________________
4
_________________________________________________________________________________
5
2. Modelação Matemática de Sistemas de Drenagem Urbana
2.1. Considerações Introdutórias
O crescimento urbanístico constante implica a necessidade de um desenvolvimento das infra-
estruturas de drenagem urbana, cada vez mais complexas, tornando o recurso à modelação
matemática de simulação cada vez mais frequente para a gestão dos sistemas de drenagem.
A modelação matemática é uma ferramenta que permite construir um modelo representativo
da situação real e que permite simular diferentes cenários (David, 2005), reflectindo-se nas diferentes
componentes e respectivas funcionalidades:
o Rede de drenagem urbana – Apoio à gestão técnica;
o Estação de tratamento – Dimensionamento e operação;
o Meio receptor – Impactes de descargas.
O aparecimento de problemas nos sistemas de drenagem poderá surgir de uma imperfeita
concepção do projecto, de erros de construção das próprias infra-estruturas ou ainda da falta de
manutenção. Para uma adequada gestão das infra-estruturas nas diversas fases do ciclo de vida do
empreendimento, Figura 1, os modelos de simulação revelam-se de extrema utilidade por serem uma
forte ajuda na detecção de problemas e mesmo na resolução dos mesmos, de modo a minimizar os
impactes no meio receptor e no meio urbano.
Figura 1 - A modelação nas diferentes fases do projecto (adaptado de David, 2005).
Planeamento, projecto e construção
• estudo e comparação de
soluções alternativas
Operação e manutenção
• avaliação de desempenho
Reabilitação
• prever o comportamento para diferentes estratégias
de reabilitação
_________________________________________________________________________________
6
2.2. Tipos de Sistemas de Drenagem
A finalidade dos sistemas de drenagem é recolher, transportar e rejeitar nos meios
receptores, em condições apropriadas, as águas residuais domésticas, comerciais e/ou industriais, e
as águas pluviais. Os sistemas de drenagem podem ser:
o Unitários
Constituídos por uma única rede de colectores onde são colectadas, conjuntamente, as
águas residuais domésticas, comerciais e industriais, e as águas pluviais; recolhem e drenam
a totalidade das águas a afastar dos aglomerados populacionais.
o Separativos
Constituídos por duas redes de colectores distintas, uma destinada às águas residuais
domésticas, comerciais e industriais, e outra à drenagem das águas pluviais ou similares.
o Mistos
Constituídos pela conjugação dos dois tipos anteriores, em que parte da rede de colectores
funciona como sistema unitário e a restante como sistema separativo.
o Separativos parciais ou pseudo-separativos
Em que se admite, em condições excepcionais, a ligação de águas pluviais de pátios
interiores ao colector de águas residuais domésticas.
Figura 2 - Esquema ilustrativo de um sistema unitário e de um sistema separativo (adaptado de
http://editorial.cda.ulpgc.es/instalacion/7_OPTATIVAS/IHA/FOTOS/sanea002.jpg, consultado em 2009).
A escolha do tipo de sistema é condicionada por diversos factores técnicos e económicos
(Ribeiro de Sousa, 2001).
_________________________________________________________________________________
7
2.3. Componentes dos Sistemas de Drenagem
Os componentes dos sistemas gerais de drenagem de águas residuais e pluviais podem ser
divididos em três grandes grupos: i) a rede de colectores; ii) as instalações e condutas elevatórias, iii)
e um conjunto de órgãos acessórios gerais e especiais, os quais se destinam a assegurar um
adequado funcionamento do sistema, nas condições definidas, e permitem, além disso, proceder às
necessárias actividades de operação e de manutenção (Ribeiro de Sousa, 2001).
A rede de colectores é o conjunto das canalizações que visa assegurar a condução das
águas residuais domésticas e/ou pluviais desde os dispositivos de entrada até ao destino final.
Normalmente, são implementadas no eixo dos arruamentos e enterradas, podendo ser visitáveis ou
não.
As instalações elevatórias permitem transportar a água para cotas superiores mas devem
ser evitadas, sempre que possível, tendo em conta os encargos de operação e a variabilidade dos
caudais afluentes e consequente dificuldade de se manterem as condições satisfatórias de
funcionamento dos grupos electrobomba e da conduta de impulsão.
No que respeita aos órgãos acessórios gerais e especiais, podem referir-se os seguintes:
o Os dispositivos de entrada (sarjetas de passeio ou sumidouros) recebem ou colectam as
águas pluviais e conduzem-nas à rede de colectores. As sarjetas de passeio são introduzidas
no lancil do passeio e o escoamento entra lateralmente, enquanto que os sumidouros estão
introduzidos no pavimento ou numa valeta, e o escoamento entra superiormente, através de
uma grade.
o As câmaras ou caixas de visita são os órgãos mais numerosos e mais vulgares, em
sistemas de drenagem de águas residuais comunitárias e de águas pluviais e, ainda, nos
sistemas unitários (Ribeiro de Sousa e Monteiro, 2006). São os órgãos do sistema de
drenagem que permitem a junção de pelo menos dois colectores destinando-se a facilitar o
acesso aos referidos colectores, para observação e prática de operações de limpeza e de
manutenção e, ainda, para remoção de obstruções ou verificação de características do
escoamento e da qualidade de água. A sua implantação é obrigatória na confluência dos
colectores, nos pontos de mudança de direcção, de inclinação e de diâmetro dos colectores,
e nos alinhamentos rectos com afastamento máximo de 60 m e 100 m, conforme se trate,
respectivamente, de colectores não visitáveis ou visitáveis.
o Os ramais de ligação transportam as águas residuais colectadas na rede interior dos
edifícios, desde a caixa domiciliária até à rede geral de drenagem, além de permitirem
também a ventilação natural da rede de drenagem.
o Os desarenadores são instalações complementares destinadas a provocar a deposição de
materiais particulados transportados nas águas pluviais.
o As bacias de retenção são estruturas que permitem regularizar os caudais pluviais afluentes,
restituindo, a jusante, caudais compatíveis com a capacidade de transporte da rede de
drenagem ou curso de água. Os objectivos das bacias de retenção são a redução dos riscos
de inundação, a criação de zonas de lazer como pólos de interesse recreativo e turístico
(pesca, canoagem, etc.), a criação de reservas de água (agricultura, rega, combate a
_________________________________________________________________________________
8
incêndios, indústria, limpezas municipais arruamentos e parques, etc.) e protecção do meio
ambiente (matéria orgânica) (Ferreira, 2007).
o As câmaras de infiltração permitem o armazenamento e infiltração das águas pluviais.
Apresentam uma solução económica e eficaz, adequada a zonas de solo permeável
(Ferreira, 2007).
o As estruturas reguladoras e os descarregadores de caudal permitem a descarga dos
caudais em excesso face à capacidade hidráulica das infra-estruturas dispostas a jusante.
2.4. Etapas do Processo de Modelação
De acordo com David (2005), a metodologia para o desenvolvimento de um modelo
matemático é a seguinte:
I. Recolha de informação cadastral;
II. Actualização do cadastro e verificação da informação sobre a condição da rede de
drenagem;
III. Construção do modelo;
IV. Monitorização de caudais/precipitação;
V. Calibração;
VI. Verificação;
VII. Simulação de diferentes cenários.
2.5. Princípios de Formulação dos Modelos
2.5.1. Sistema de Drenagem Urbana
A água da Terra, que constitui a hidrosfera, distribui-se por três reservatórios principais, os
oceanos, os continentes e a atmosfera, entre os quais existe uma circulação contínua designada por
ciclo da água ou ciclo hidrológico. Este ciclo, devido ao movimento da água produzido pela energia
solar e pela gravidade, é responsável pela renovação da água no planeta. Na atmosfera, o vapor de
água que forma as nuvens pode transformar-se em chuva, neve ou granizo dependendo das
condições climáticas, o que provoca o fenómeno atmosférico o qual se designa por precipitação. No
caso de zonas urbanas, a precipitação pode cair em áreas impermeáveis, como por exemplo, na
cobertura dos edifícios ou sobre áreas pavimentadas, e em áreas permeáveis, como por exemplo,
zonas verdes. Parte da precipitação das zonas permeáveis, que não é devolvida directamente à
atmosfera por evaporação, penetra nos solos por infiltração, constituindo assim o escoamento
subterrâneo.
A precipitação total transforma-se em precipitação efectiva com base nas perdas hidrológicas
por armazenamento em depressões, intercepções, perdas por infiltração e de propagação na
_________________________________________________________________________________
9
superfície. A água que escorre na superfície do terreno é direccionada para a rede de drenagem,
onde posteriormente é conduzida até às linhas de água ou outros locais de descarga, a fim de
impedir que os escoamentos superficiais provoquem inundações e estragos na via pública.
Na Figura 3, está representada a interacção do ciclo da água com a rede de drenagem,
expondo os diversos processos envolvidos, como a formação do caudal residual doméstico e do
caudal pluvial.
Figura 3 - Processos de um sistema de drenagem (adaptado de Carvalho, 2008).
O modelo de drenagem urbana inclui um modelo hidrológico para a transformação da
precipitação em escoamento superficial e um modelo hidráulico de propagação do escoamento na
rede de colectores e condutas.
Nos próximos subcapítulos, apresentam-se, os modelos hidrológico e hidráulico detalhados.
2.5.2. Modelo Hidrológico
O modelo hidrológico gera hidrogramas de escoamento superficial a partir dos dados de
precipitação e das características geométricas, morfológicas e hidrológicas das bacias afluentes ao
sistema (Sisaqua e Cenor, 2007).
O escoamento superficial pode ser obtido através de um modelo de reservatório não-linear
para as bacias de drenagem (Rossman, 2008), conforme representado na Figura 4.
área impermeável
área permeável
sarjeta armazenamento
em depressão
escoamento
superficial
_________________________________________________________________________________
10
Figura 4 - Modelo do escoamento superficial (adaptado de Rossman, 2008).
A equação do modelo de reservatório não-linear (1) surge pela combinação das equações de
Manning e da continuidade, resolvidas pelo processo iterativo de Newton-Raphson (Gomes,
2008):
- - (1)
onde:
W – largura representativa da bacia (m);
n – coeficiente de rugosidade de Manning (s/m1/3
);
A – área da bacia (m2);
S – declive da bacia (-);
dp – altura do armazenamento (m);
i – intensidade de precipitação efectiva (m/s);
d – profundidade da água no reservatório (m);
t – tempo (s).
Segundo Portela (2006), as perdas de precipitação para o escoamento consistem na
diferença entre a precipitação total associada a um dado acontecimento pluvioso e a correspondente
precipitação efectiva. Os principais processos envolvidos na transformação da precipitação total em
precipitação efectiva são os seguintes: intercepção, infiltração, evaporação e evapotranspiração.
Para o cálculo da precipitação efectiva, recorre-se frequentemente ao modelo do hidrograma
unitário e aos modelos de infiltração. Os modelos mais frequentes para o cálculo da infiltração são: o
Modelo de Horton, o Modelo de Green e Ampt e o Modelo do Soil Conservation Service. De seguida
apresentam-se alguns detalhes da formulação destes modelos.
Modelo do hidrograma unitário
O modelo do hidrograma unitário apenas permite obter hidrogramas de cheias em condições
naturais, entendendo-se por tal, hidrogramas de cheias resultantes de acontecimentos pluviosos, em
secções da rede hidrográfica a que correspondam bacias hidrográficas em que não existam,
_________________________________________________________________________________
11
intervenções tendo em vista a modelação de cheias. Estas intervenções podem ser, por exemplo,
aproveitamentos hidráulicos que procedam ao controlo (amortecimento) de ondas de cheia. Além de
intervenções, também não devem existir transvases significativos que resultem em alterações do
comportamento hidrológico das bacias em condições de cheia. O hidrograma unitário com a duração
D, HUD, é o hidrograma do escoamento directo provocado numa secção de um curso de água por
uma precipitação útil ou efectiva, considerada unitária, com intensidade constante no tempo e
aproximadamente uniforme sobre a bacia hidrográfica e com duração D (Portela, 2006).
Modelo de Horton
A Figura 5 representa o gráfico do modelo de Horton, onde se observa que a taxa de
infiltração diminui exponencialmente, durante um evento de precipitação.
Figura 5 - Infiltração de acordo com o Modelo de Horton (Portela, 2006).
A curva de Horton é dada pela seguinte expressão:
- - (2)
onde:
f(t) – taxa de infiltração no instante de tempo t (mm/h);
fc – taxa de infiltração mínima, correspondente ao valor assimptótico da intensidade de infiltração
do solo saturado (mm/h);
f0 – taxa de infiltração máxima, correspondente ao instante de tempo em que se inicia a infiltração
após um longo período seco (mm/h);
k – Constante característica do solo e do revestimento superficial, que descreve o decréscimo da
taxa de infiltração de f0 para fc (h-1
);
t – tempo que decorre desde o início da infiltração, após um longo período com ausência de
infiltração (h).
Modelo de Green e Ampt
O modelo de Green e Ampt foi estabelecido a partir da lei de Darcy para estimar a infiltração,
e é descrito pela seguinte expressão:
_________________________________________________________________________________
12
(3)
onde,
K – condutividade hidráulica (m/s);
L – profundidade a que se encontra a frente de encharcamento (extensão do percurso de
percolação) (m);
Y – potencial matricial (“sucção”) na frente de encharcamento (m).
Modelo do SCS (Soil Conservation Service)
O modelo do SCS é dado pela seguinte expressão:
-
(4)
onde:
Fa – perdas contínuas, isto é, a altura de água retida na bacia após o início do escoamento
superficial (mm);
S – capacidade máxima de retenção de água (mm);
Pe – precipitação efectiva (mm);
P-Ia – escoamento superficial potencial (mm), onde P é a precipitação total e Ia as perdas de
precipitação.
2.5.3. Modelo Hidráulico
O modelo hidráulico é aquele que se encarrega da propagação do escoamento na rede de
drenagem até ao seu destino final, normalmente considerando um escoamento unidimensional em
superfície livre.
No estudo dos escoamentos variáveis com superfície livre que ocorrem em cursos de água
naturais utilizam-se as equações completas de Saint-Venant, que constituem a formulação
matemática dos princípios fundamentais da Hidráulica. Estas equações representam modelos simples
de fenómenos extremamente complexos, incorporando apenas os factores cuja influência no
escoamento é mais importante e desprezando aqueles que de acordo com os objectivos da
modelação se consideram de importância secundária (Martins dos Santos e Hipólito, 2005).
As equações de Saint-Venant baseiam-se na equação da continuidade (5) e na equação da
conservação da quantidade do movimento baseada na 2ª lei de Newton (6) (Meller, 2004).
o Equação da continuidade
(5)
_________________________________________________________________________________
13
o Equação da conservação da quantidade de movimento
- (6)
onde:
Q – caudal (m3/s);
A – secção do escoamento (m2);
h – altura do escoamento (m);
g – aceleração da gravidade (m2/s);
x – distância na direcção do escoamento (m);
t – tempo (s);
I0 – declive do leito (-);
If – declive da linha de energia (-).
Para a aplicação das equações de Saint Venant a condutas sob pressão aplica-se o conceito
introduzido por Preissmann, que se denomina de “fenda de Preissmann”. O artifício baseia-se na
introdução de uma fenda fictícia na geratriz superior da tubagem, de modo a não aumentar
significativamente a secção do escoamento nem o respectivo raio hidráulico, assegurando cálculos
estáveis sem afectar significativamente a precisão. Esta aproximação possibilita a utilização do
mesmo sistema de equações para modelar o escoamento em superfície livre e em pressão (Neves et
al., 2000 citado por Amorin, 2008).
Com base nas equações Saint Venant, definem-se diversos modelos da propagação do
escoamento na rede de colectores, simplificados ou completos, de acordo com a consideração ou
não da equação da conservação da quantidade de movimento. Em seguida, apresentam-se os
principais modelos utilizados na análise da propagação do escoamento na rede de colectores em
regime variável.
Modelo de reservatório
O modelo do reservatório considera apenas a equação da continuidade (5), pelo que tem em
conta os efeitos de armazenamento e da respectiva atenuação, desprezando qualquer efeito
Forças
de
inércia
Forças
de
pressão
Forças
gravitacionais
e de atrito
_________________________________________________________________________________
14
dinâmico. Este modelo é válido se o efeito preponderante for o amortecimento por armazenamento e
os efeitos de jusante forem desprezáveis (Ferreira, 2006).
Modelo cinemático
Este modelo considera a equação da continuidade (5) e o termo da equação das forças
gravitacionais e de atrito da equação (6), e é caracterizado por ser um modelo simples, também
expresso pela expressão de Gaukler-Manning-Strickler. O modelo cinemático tem em conta efeitos de
armazenamento e permite a simulação de fenómenos de atenuação e atraso por técnicas numéricas.
No entanto, este tipo de modelo não é aplicável em regimes lentos (em que prevalecem os efeitos de
jusante) ou em situações em que os hidrogramas afluentes apresentem variações acentuadas ao
longo do tempo, conduzindo a acelerações de inércia não desprezáveis (Ferreira, 2006).
Modelo dinâmico
O modelo dinâmico considera a equação da continuidade (5) e a equação da conservação da
quantidade de movimento (6), pelo que inclui todos os efeitos básicos da hidrodinâmica: efeitos de
propagação das ondas dinâmicas para jusante e para montante; efeitos de amortecimento, atraso e
deformação nas variações de caudal e de altura do escoamento ao longo dos colectores e efeitos de
regolfo. O modelo dinâmico completo permite a inversão do sentido do escoamento em troços de
colectores, sendo o único modelo que representa a propagação das ondas para montante, pois é o
único que inclui o termo das forças de atrito completo (Ferreira, 2006).
Resumindo, nos modelos hidrodinâmicos simplificados, ao se desprezar os termos de inércia
e pressão, surge o modelo da onda cinemática, onde se tem a desvantagem da impossibilidade de
simular fenómenos tais como efeitos de jusante sobre o escoamento. Por outro lado, utilizando as
equações completas de Saint Venant (modelo dinâmico), fornecem-se resultados mais precisos, pois
estes representam com exactidão os fenómenos mais importantes do escoamento em canais.
2.6. Programas Existentes para Modelação de Redes de Drenagem
Urbana
Segundo Matos (2005), justifica-se o estudo com o recurso a modelos complexos (onda
cinemática ou onda dinâmica) para a análise do desempenho de sistemas existentes, para a
avaliação de impactes no meio receptor e para fundamentar estratégias de beneficiação e
reabilitação.
Na presente dissertação, serão apenas referidos modelos destinados à simulação do
comportamento dos sistemas de drenagem urbana.
_________________________________________________________________________________
15
Os programas que simulam o comportamento dos sistemas de drenagem modelam o
escoamento dinâmico incluindo os modelos hidrológicos e hidráulicos, resolvem as equações
completas de Saint Venant e, na sua maioria, podem ser aplicados à modelação do escoamento
superficial, do escoamento com superfície livre (em canais e colectores), especialmente em
condições críticas, tal como inversões de fluxo, efeitos de jusante e escoamento sob pressão e ainda
da qualidade da água e transporte de sedimentos.
Estes modelos estudam diversas variáveis como a altura de escoamento, a velocidade
máxima e mínima, entradas em carga, entre outros parâmetros, de modo a avaliar a beneficiação do
sistema com vista à redução de inundações e ao controlo de descargas directas de excedentes.
No Quadro 1, apresentam-se as características mais relevantes dos programas mais
utilizados a nível da drenagem urbana.
Quadro 1 - Modelos utilizados por programas de simulação de drenagem urbana
(adaptado de Ferreira, 2006 citado por Amorin, 2008)
Processo Tipo de modelo
Programa
Flu
po
l
Hyd
roW
ork
s/
Info
wo
rks
MO
US
E
SA
MB
A
SW
MM
SIM
PO
L
Perdas hidrológicas
perdas iniciais S S S S S
perdas contínuas: coeficiente de escoamento volumétrico S S S S S S
humedecimento do solo S
retenção superficial S S
infiltração: fórmula de Horton S S S
fórmula de Green-Ampt S
evapotranspiração S
outras fórmulas de perdas contínuas S
Propagação do escoamento superficial
curvas tempo-área S
modelo do reservatório linear S S S
modelo de reservatórios em cascata S
modelo cinemático/modelo do reservatório não linear S S
Propagação do escoamento na rede de colectores
advecção S
modelo de Muskinghum-Cunge S
modelo cinemático/modelo do reservatório não linear S S
modelo difusivo S
equações completas de Saint Vennant S S S
_________________________________________________________________________________
16
Quadro 1 - Modelos utilizados por programas de simulação de drenagem urbana
(adaptado de Ferreira, 2006 citado por Amorin, 2008) (Continuação)
Processo Tipo de modelo
Programa
Flu
po
l
Hy
dro
Wo
rks
/
Info
wo
rks
MO
US
E
SA
MB
A
SW
MM
SIM
PO
L
Poluentes no escoamento superficial
concentrações médias por evento (CME) S S S
distribuição lognormal das CME S
acumulação: equação de potência S
equação de Michaelis-Menton S
equação exponencial (Aley e Smith, 1981) S S S S
arrastamento: exponencial (Sartor e Boyd; Jewell e Adrian) S S S
exponencial (Nakamura, 1990)
outras fórmulas S S
número de poluentes modelados 4 >10 >10 10 2
sedimentos S S S S
Propagação dos poluentes superficiais
modelo do reservatório linear S
modelo do duplo reservatório linear S
Poluentes em sarjetas
retenção superficial SN S
Transporte dos poluentes nos colectores
Equação de transporte baseada: na lei de Shields S
no método de Arkers-White S
no método de Vélikanov S
noutros métodos S
transformação/decaimento de poluentes N S S
equação de advecção S S S S
equação de advecção-dispersão S
- consideração de estruturas de sedimentação/tratamento S
Como referido, o programa de drenagem urbana utilizado nesta dissertação é o SWMM
(versão 5.0.013), por ser um dos mais detalhados e que se encontra disponível gratuitamente sem
qualquer custo para as empresas.
_________________________________________________________________________________
17
3. Modelo Matemático SWMM de Sistemas de Drenagem Urbana
3.1. Programa SWMM
3.1.1. Apresentação Geral do SWMM
A água é essencial à vida sendo o componente principal dos tecidos vivos e um factor
indispensável para a fotossíntese que está na origem do ciclo da vida sobre o planeta. As plantas
produzem matéria orgânica a partir da fotossíntese e os animais alimentam-se de plantas e de outros
animais, constituindo as cadeias alimentares (Quintela, 1996).
Segundo Rossman (2008), devido ao aumento dos impactes sociais, económicos e
ambientais, nos Estados Unidos desenvolveram-se esforços no sentido da sustentabilidade
relativamente aos poluentes que prejudicam a saúde humana e degradam o meio ambiente. Surgiu,
então a Environmental Protection Agency (EPA) com o intuito de formular e implementar métodos de
prevenção e controlo da poluição.
A EPA, em 1971, desenvolveu um programa designado Storm Water Management Model
(SWMM), que tem como principal objectivo a simulação hidrológica e hidrodinâmica de sistemas de
drenagem urbana (sistemas separativos ou unitários), e é constituído por um conjunto de módulos de
simulação, que abrangem todos os aspectos relevantes à sua aplicação. É reconhecido por ser o
programa comercial mais detalhado para estudos de águas pluviais, pois permite uma boa gestão ao
nível das infra-estruturas dos sistemas de drenagem, de forma a melhorar a sua operação e
manutenção. Tem sido continuamente actualizado, sendo a versão 5.0 a mais recente.
Huber e Dickinson (1992) apresentam a estrutura do modelo SWMM em nove módulos
(Figura 6), sendo quatro módulos computacionais (Runoff, Transport, Extran e Storage/Treatment) e
cinco módulos de serviço (Statistics, Graph, Combine, Rain, Temperature), além do módulo
Executivo.
Figura 6 - Relação entre os módulos estruturais do SWMM (adaptado de Huber & Dickinson,
citado por Meller, 2004).
_________________________________________________________________________________
18
Os módulos computacionais são os responsáveis pelos principais passos de cálculo, o
módulo Runoff refere-se à transformação da precipitação em escoamento, o módulo Transport ao
transporte na rede de drenagem segundo o conceito da onda cinemática, o módulo Extran à
modelação hidrodinâmica nos colectores e canais, e o módulo Storage/Treatment à qualidade da
água.
Os módulos de serviço auxiliam os módulos computacionais possuindo diversas funções,
como organização da ordem das simulações (Combine), dos dados de precipitação (Rain) e de
temperatura (Temperature), apresentação da saída gráficas (Graph) e análises estatísticas (Statistics)
dos resultados.
3.1.2. Componentes Físicos ou Entidades do SWMM
Para simular o comportamento dos sistemas de drenagem no SWMM, é necessário
caracterizar fisicamente todas as infra-estruturas existentes (Figura 7).
Figura 7 - Componentes físicos no modelo de um sistema de drenagem
(adaptado de Rossman, 2008).
Udómetro (Rain Gages)
O udómetro é um equipamento que permite registar a precipitação pontual em qualquer ponto
do território, podendo apresentar alguns erros de medição de precipitação, de diversas origens,
nomeadamente defeitos do aparelho (reduz a quantidade de precipitação recolhida); evaporação;
efeito do vento sobre as trajectórias da precipitação (pode dar lugar a um aumento ou redução);
diferenças de área da superfície receptora; não horizontalidade desta superfície, estanqueidade
imperfeita.
_________________________________________________________________________________
19
No SWMM, os dados de precipitação podem ser definidos pelo utilizador mediante séries
temporais ou de arquivos externos ao programa.
A informação necessária de um udómetro no modelo é a seguinte:
o tipo de dados da precipitação (por exemplo, intensidade da precipitação, volume ou volume
acumulado);
o intervalo de tempo dos dados (por exemplo, horários de 15 minutos, etc.);
o origem dos dados da precipitação (série temporal ou de arquivo externo).
Bacia pluvial (Subcatchments)
As bacias pluviais são unidades hidrológicas de terreno cuja topografia e elementos do
sistema de drenagem conduzem o escoamento para o ponto de descarga. Existem dois tipos de
bacias como se pode observar na Figura 8, cuja distinção é a seguinte (Sisaqua e Cenor, 2007):
o bacias de cabeceira, que correspondem a bacias de drenagem que afluem integralmente a
um ponto de entrada no sistema de drenagem. Em geral, a maioria destas bacias
desenvolvem-se geograficamente para montante do sistema de drenagem. As ligações ao
sistema correspondem aos pontos de cabeceira do modelo e na sua maioria a ligação é feita
por descarregadores;
o bacias de percurso, que correspondem a bacias de drenagem que se desenvolvem ao longo
do percurso do sistema de drenagem, existindo várias ligações do sistema em diversas
caixas de visita ao longo do percurso.
Figura 8 – Esquema dos tipos das bacias pluviais (adaptado de Ferreira, 2007).
O programa SWMM considera que as bacias se dividem em sub-bacias permeáveis e
impermeáveis. As sub-bacias permeáveis dividem-se ainda em sub-áreas permeável sem
armazenamento e permeável com armazenamento, e as sub-bacias impermeáveis em sub-áreas
impermeáveis com armazenamento.
Quando surgem acontecimentos pluviosos, parte da precipitação é retida nas zonas com
armazenamento, quando esta excede a capacidade de armazenamento inicia-se então o escoamento
superficial, que irá ser encaminhado para um ponto de entrada na rede de drenagem.
O escoamento superficial é obtido através de um reservatório não-linear e a infiltração no solo
corresponde a perdas de precipitação associadas às áreas permeáveis das bacias. O programa
_________________________________________________________________________________
20
SWMM apresenta as alternativas para modelar a infiltração (Modelo de Horton, Modelo de Green e
Ampt e Modelo do Soil Conservation Service).
Os dados de entrada das bacias pluviais são os seguintes:
o atribuição de um udómetro a cada bacia;
o área da bacia (m2);
o largura média da bacia (m), a qual é obtida a partir da relação entre a área da bacia e a
máxima distância da bacia, distância esta que é medida entre o ponto mais afastado da
descarga e a própria descarga;
o declive da bacia pluvial (%);
o percentagem da área impermeável e da área impermeável sem armazenamento (%);
o coeficiente de rugosidade de Manning para o escoamento superficial, tanto para áreas
permeáveis como impermeáveis (s/m1/3
);
o altura de armazenamento sobre a área impermeável da bacia (mm);
o propagação do escoamento segundo as subáreas permeáveis e impermeáveis;
o parâmetros do escoamento subterrâneo;
o ocupação do solo;
o quantidade de sedimentos acumulados ao longo da bacia;
o modelo de infiltração (Modelo de Horton, Modelo de Green e Ampt ou Modelo do Soil
Conservation Service).
Câmaras de visita (Junctions)
As câmaras de visita são nós no sistema de drenagem. As afluências podem entrar no
sistema de drenagem através das câmaras de visita e o excesso de água nas câmaras traduz que o
sistema se encontra em carga. No SWMM, este excesso de água pode perder-se completamente do
sistema de drenagem ou pode ficar estagnado na parte superior das câmaras de visita para
posteriormente entrar de novo no sistema, no SWMM esta opção designa-se: Allow Ponding.
A informação requerida pelo SWMM, no que se refere às câmaras de visita, é a seguinte:
o cota da soleira (m);
o profundidade de soleira (m);
o afluências (m3/s);
o caso não se opte pela função Allow Ponding, o programa exige a área superficial inundada da
caixa de visita (m2) e a altura em carga (m).
Colectores (Conduits)
Os colectores são representados por linhas definidas entre dois nós. O SWMM apresenta
diversas geometrias pré-definidas, secções abertas e fechadas, e outras de geometria irregular para
simular canais naturais. Aplica-se a equação de Manning no colector para expressar a relação entre o
caudal que circula (Q), a sua área da secção transversal (A), raio hidráulico (R) e o declive (S), tanto
_________________________________________________________________________________
21
para canais abertos como para colectores fechados parcialmente cheios. A expressão, nas unidades
do Sistema Internacional, é dada por:
(7)
onde n é o coeficiente de rugosidade de Manning. A propagação do escoamento na rede de
colectores pode ser descrita pelo modelo dinâmico completo (equações completas de Saint Venant)
ou pelo modelo cinemático.
Os principais parâmetros de entrada dos colectores são os seguintes:
o cota de montante e jusante do colector, no caso de se utilizar a opção elevation, e altura de
queda (caso exista diferença entre a cota de entrada e de saída do colector), no caso de se
escolher a opção depth (m);
o comprimento do colector (m)
o coeficiente de Manning do colector (s/m1/3
);
o secção transversal do colector e as suas dimensões (m);
o coeficiente de perdas associadas a perdas de energia na entrada e na saída do colector;
o presença ou não de um dispositivo que impeça o retorno do escoamento.
Descarregadores (Weirs)
No SWMM, os descarregadores são representados através de uma ligação entre dois nós
(links), onde o descarregador se encontra adjacente ao nó de montante.
Estes órgãos são normalmente usados para:
o controlar as saídas de caudal dos poços de bombagem;
o prevenir a entrada dos colectores em carga;
o desviar caudais para estações de tratamento.
Os principais parâmetros de entrada de um descarregador são:
o tipo de descarregador;
o comprimento (m);
o altura livre (m);
o declive das paredes;
o coeficiente de vazão;
o presença ou não de um dispositivo que impeça o retorno do escoamento.
O SWMM permite representar os 4 tipos de descarregadores, que se apresentam, no
Quadro 2.
_________________________________________________________________________________
22
Quadro 2 - Tipo de descarregadores existentes no SWMM (adaptado de Rossman, 2008)
Tipo de descarregador Forma da secção
transversal Lei de vazão
Transversal (Transverse) Rectangular
Descarga lateral
(Side Flow) Rectangular
Em V (V-Notch) Triangular
Trapezoidal (Trapezoidal) Trapezoidal
onde:
Q – caudal descarregado (m3/s);
CW – coeficiente de vazão (-);
L – comprimento do descarregador (m);
S – declive das paredes do descarregador triangular ou do descarregador trapezoidal (-);
h – carga sobre a soleira do descarregador (m);
CWS – coeficiente de vazão na zona lateral do descarregador trapezoidal (-).
Poço de bombagem (Storage Units)
Os poços de bombagem são nós do sistema de drenagem com capacidade para armazenar
determinados volumes de água para posteriormente serem bombeados. O poço de bombagem é
associado ao nó onde termina um colector e começa o grupo electrobomba estes dois componentes
conectados representam a estação elevatória. A razão deste agrupamento deve-se ao facto do
SWMM não representar condutas em pressão, apenas é modelada através da indicação da origem e
destino de bombagem, isto é, o nó inicial é o poço de bombagem e o final será a câmara de visita
onde começa o sistema gravítico. Entre o nó inicial e o final, representam-se os grupos electrobomba
que são representados como linhas. O escoamento em pressão é simulado a partir das equações de
Saint Venant e do artifício da fenda de Preissmann, referido no capítulo anterior.
As principais características do poço de bombagem são as seguintes:
o cota da soleira (m);
o afluências (m3/s);
o forma geométrica do poço de bombagem;
o caso não se opte pela função Allow Ponding, o programa exige a área superficial inundada
(m2).
_________________________________________________________________________________
23
Grupo electrobomba (Pumps)
No SWMM, os grupos electrobombas são representados segundo linhas com a sua curva
característica.
Os dados de entrada relativamente ao grupo electrobomba são os seguintes:
o curva característica de cada bomba (Q, H);
o estado inicial de cada bomba (em funcionamento ou parada).
O funcionamento das bombas e as cotas de arranque e de paragem de cada grupo
electrobomba podem ser controladas através das regras de controlo (control curves).
A curva característica utilizada foi do tipo II no SWMM (Figura 9), que corresponde a uma
bomba instalada em série no sistema, onde o caudal aumenta em função da profundidade do nível de
água no poço de bombagem.
Figura 9 - Curva característica tipo II (adaptado de Rossman, 2008).
Pontos de rejeição (Outfalls)
Os pontos de rejeição são as saídas de caudal do sistema de drenagem, isto é, são nós
terminais do sistema que permitem definir as condições de fronteira entre a descarga e o meio
receptor, com base no método da onda dinâmica para a propagação do escoamento. Para outros
métodos de propagação do escoamento, os pontos de rejeição comportam-se como câmaras de
visita.
Uma restrição do programa SWMM é que apenas é possível conectar uma linha com um
ponto de rejeição. Os principais dados requeridos pelo programa, quanto aos pontos de rejeição, são
os seguintes:
o cota da soleira (m);
o afluências (m3/s);
o tipo de descarga;
o condições de fronteira;
o presença ou não de um dispositivo que impeça o retorno do caudal.
_________________________________________________________________________________
24
3.1.3. Componentes Virtuais
Além dos componentes físicos descritos anteriormente, o SWMM apresenta outro tipo de
componentes, os quais não são representados materialmente. O escoamento superficial e
subterrâneo das bacias, os nós do sistema de drenagem no SWMM (câmaras de visita, poços de
bombagem e pontos de rejeição) podem receber outros tipos de afluências, constantes ou variáveis
no tempo, nomeadamente referentes à entrada de águas residuais e/ou pluviais. Estas afluências são
inseridas no SWMM com padrões de tempo.
3.2. Exemplo de Construção de um Modelo no SWMM
Descritos os componentes de simulação do SWMM, seguidamente desenvolve-se uma breve
descrição dos fenómenos e do procedimento que o modelo efectua, bem como, à construção de um
pequeno exemplo prático.
O SWMM utiliza os udómetros (Rain Gages) para representar a precipitação que entra no
sistema, e, posteriormente, analisa os poluentes depositados sobre a superfície do solo (Land Uses).
A superfície do solo é representada através de uma ou mais bacias de drenagem
(Subcatchments) que, por sua vez, recebem a precipitação dos udómetros em forma de chuva ou
neve, gerando: escoamento sob a forma de infiltração para as águas subterrâneas (Groundwater) e
escoamento superficial e cargas poluentes.
O escoamento ao longo do sistema propaga-se por uma rede com elementos de transporte,
colectores (Conduits), câmaras de visita (Juctions), elementos de regulação como orifícios,
descarregadores e válvulas de regulação de caudal (Orifices, Weirs e Outlets) e unidades de
armazenamento (Storage Units), que armazenam água para ser bombeada para cotas superiores
através dos grupos electrobombas (Pumps). Os colectores transportam a água para os pontos de
rejeição (Outfalls) ou para as instalações de tratamento.
Todos os componentes do SWMM são modelados a partir do conceito nó-linha (nodes-links),
o qual se aplica a qualquer forma de rede de drenagem. Este conceito permite que não existam
quebras de rede e que os pontos estejam bem definidos, pois só assim é que se consegue explicar o
incidente nos nós.
Após o estudo e compreensão do SWMM, surgiu a necessidade de ter um primeiro contacto
prático, com a respectiva construção de um modelo. Para tal, procedeu-se à construção de uma
pequena rede de drenagem exemplificativa no manual do programa (Figura 10), com o objectivo de
ter um entendimento quanto:
o à complexidade e funcionalidade do programa;
o à respectiva organização dos comandos do programa;
o às dificuldades sentidas na construção da rede, face à representação e caracterização das
componentes físicas e virtuais;
o à avaliação do tempo dispendido na construção do modelo;
o à necessidade de recurso a sistemas de informação de cadastro das infra-estruturas.
_________________________________________________________________________________
25
Figura 10 - Exemplo realizado no SWMM a partir do manual (SWMM, 2009).
Após execução deste exemplo, e face aos objectivos indicados anteriormente, concluiu-se
que:
o o SWMM é um programa algo complexo, mas em contrapartida, extremamente funcional, pois
por exemplo, quando é pedido a informação das componentes físicas, esta é bastante
completa;
o aquando da organização dos diversos conteúdos do programa, verifica-se grande
objectividade, após algum manuseamento do programa, consegue-se ter uma leitura fácil e
directa, que permite alguma comodidade na consulta dos respectivos comando;
o no que diz respeito à construção da rede, face à representação e caracterização das
componentes físicas e virtuais, nomeadamente na realização da terceira etapa do processo
de modelação matemática (construção do modelo), identificou-se uma tarefa morosa e
susceptível a ocorrência de erros, visto os sistemas de drenagem apresentarem inúmeros
órgãos e equipamentos com diversos parâmetros necessários à sua caracterização.
Depois da construção da rede, a necessidade de recorrer a outros sistemas de informação,
em particular no que se refere ao cadastro, tornou-se patente.
Pontos como morosidade e a possibilidade de ocorrerem erros, representam pressupostos
preponderantes para a necessidade de recurso a programas de apoio a informação cadastral, isto é,
Sistemas de Informação Geográfica.
_________________________________________________________________________________
26
_________________________________________________________________________________
27
4. Sistema de Informação Geográfica
4.1. Considerações Gerais
A crescente complexidade dos problemas que se colocam à gestão técnica e operacional de
infra-estruturas de saneamento básico tem vindo a fazer crescer o interesse das entidades
responsáveis pela prestação desses serviços na adopção de novas tecnologias, nomeadamente no
sentido da constituição de Sistemas de Informação Geográfica (SIG) adaptados às suas
necessidades específicas (Ribeiro de Sousa et al., 1998).
O desenvolvimento dos SIG está intimamente relacionado com o progresso das tecnologias
de informação, os quais têm evoluído de uma forma muito rápida. Um SIG pode desempenhar um
papel de relevo nas diversas áreas de negócio das entidades gestoras, nomeadamente ao nível do
planeamento, operação e manutenção, constituindo-se como um instrumento para uma gestão eficaz
dos sistemas em questão.
Actualmente, os SIG são utilizados como ferramentas de análise geográfica, por excelência,
já que permitem a integração de grandes volumes de informação espacial e de outros tipos num
mesmo sistema e o seu tratamento conjunto (Nunes, 2007).
4.2. Definição de SIG
Um SIG, de uma forma genérica, é um sistema organizado, constituído por hardware,
software, meios humanos e informação georreferenciada, com diversos objectivos (Figura 11) que se
assume como imprescindível para um bom conhecimento do território e para a adequada gestão de
infra-estruturas.
Figura 11 - Objectivos de um SIG.
ArmazenarDecidir
Aceder
Interpretar
Analisar
Planear
Manipular informação
geográfica
Visualizar
Medir
_________________________________________________________________________________
28
4.3. Funcionalidade Genérica
O território é um enorme condomínio partilhado pelas entidades que visam implementar as
políticas de interesse público, por todos os cidadãos que o utilizam para satisfazerem necessidades
básicas ou desenvolverem actividades económicas. Por isso, o cadastro é um instrumento
fundamental para suportar as tomadas de decisão que permitam um maior e melhor desenvolvimento
(Santo, 2009)
Um SIG não é uma solução informática para fazer mapas, no entanto também os cria, em
diferentes escalas, em diferentes posições e com diferentes cores. O maior benefício da utilização de
um SIG é o que permite a comunicação de informação espacial, devidamente analisada,
apresentando mapas, gráficos e relatórios de qualidade e especificamente adequados a diferentes
necessidades de análise e decisão (Espanha et al, 2008).
Os SIG de infra-estruturas de saneamento básico apresentam o cadastro organizado e
actualizado, para que as entidades gestoras procedam às intervenções de forma mais rápida e
eficiente. São um forte apoio na elaboração de projectos e reabilitação de sistemas, facilitam a
identificação e localização de uma avaria, e por tal facto, como identificam o local da avaria,
melhoram o processo de tomada de decisão.
Segundo Water Environment Federation (2004), os técnicos optam, cada vez mais, pela
utilização de soluções SIG para executarem diversas funções, tais como:
o actividades de avaliação fiscal;
o registos de clientes e serviços;
o planeamento, ordenamento e gestão da propriedade;
o modelação;
o planeamento ambiental;
o gestão de activos e infra-estruturas;
o reabilitação dos sistemas de infra-estruturas.
Os SIG apoiam a construção de modelos de simulação hidráulica. É exemplo disso a solução
G/InterAqua™, amplamente utilizada em Portugal e, mais recentemente, em Espanha, por entidades
e empresas operadoras de infra-estruturas de saneamento básico.
4.4. A solução de SIG G/InterAqua™
4.4.1. Apresentação Global da Solução SIG G/InterAqua™
A solução de SIG G/InterAqua™, desenvolvida pela AQUASIS, Sistema de Informação, S.A.,
inclui funcionalidades adequadas aos processos de planeamento, operação e manutenção,
desenvolvidos nas Empresas, nomeadamente:
o cadastro;
_________________________________________________________________________________
29
o operação e manutenção;
o divulgação e partilha de informação.
O cadastro, entendido como a representação espacial e caracterização de todos os
elementos que constituem o património da Empresa, é o suporte para o desenvolvimento de muitos
dos processos e aplicações informáticas empresarias (AQUASIS1, 2007).
A informação está separada em diferentes camadas temáticas e armazenada de forma
independente, o que permite a sua operacionalização de uma forma mais rápida, simples e objectiva.
Actualmente, a solução de SIG G/InterAqua™ integra diversos temas de informação (Figura 12).
Figura 12 - Temas de informação da solução de SIG G/InterAqua™ (AQUASIS1, 2007).
Cada um destes temas de informação integra um modelo de dados onde são considerados
os órgãos (entidades) dos sistemas, caracterizados de acordo com as melhores práticas de
engenharia e na perspectiva de integração com outros sistemas de informação.
A solução de SIG G/InterAqua™ é um sistema interoperável, pois permite introduzir dados de
origem externa à Empresa em diversos formatos, construindo relações lógicas para posterior partilha
de informação entre várias entidades e produtos. A sua integração com um sistema de manutenção e
gestão de activos, pode beneficiar, não só as operações de operação e manutenção das infra-
estruturas, como também a fiabilidade do próprio cadastro.
A solução de SIG G/InterAqua™ não pretende centralizar em si todos os diferentes processos
inerentes à operação e manutenção dos sistemas; no entanto, sendo por definição o único sistema
empresarial de informação com uma representação espacial do cadastro, é indispensável que esta
seja disponibilizada a outros sistemas de informação, nomeadamente aos sistemas de manutenção e
gestão de activos, os sistemas de clientes, os sistemas de operação e a telegestão, de forma a torná-
los mais eficientes (AQUASIS1, 2007).
Actualmente, com os avanços da tecnologia, é possível transmitir dados via wireless ou via
_________________________________________________________________________________
30
GSM, possibilitando introduzir em forma digital os dados de cadastro, simultaneamente com a recolha
dos mesmos em campo, deste modo, obtém-se o cadastro em formato digital, substituindo as cartas
tradicionais de papel.
A utilização da tecnologia Web permite, ainda, a partilha de informação, quer no interior das
entidades e empresas, quer com agentes exteriores (Câmaras Municipais, projectistas, empreiteiros e
empresas de outsourcing), desde que certificados para o efeito.
A representação espacial das diferentes intervenções a realizar em campo, permite a
optimização dos recursos existentes e uma melhor distribuição das tarefas a executar, bem como o
estabelecimento de programas de reabilitação dos sistemas mais consistentes e baseados em
critérios objectivos.
4.4.2. Módulos dos Diversos Temas
A solução de SIG G/InterAqua™ está organizada em módulos, os quais estão presentes em
todos os temas. Para uma melhor compreensão desta solução, apresenta-se uma breve descrição de
alguns dos principais módulos.
Módulo Administração
O Módulo de Administração apresenta de forma estruturada os temas de informação
presentes na solução que estejam sujeitos a um modelo de regras e destina-se a configurar e
parametrizar as entidades presentes nesses modelos de dados (Figura 13). Permite, também, gerir o
modo de apresentação das entidades nos diferentes menus que suportam a solução.
Figura 13 - Caixa de diálogo do Módulo Administração no tema Saneamento
(Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
_________________________________________________________________________________
31
Esta solução de SIG apresenta uma estrutura para a disposição dos atributos associados a
cada componente dentro de cada entidade do modelo (Figura 14).
Figura 14 - Estrutura do modelo (AQUASIS, 2009).
Um determinado componente pode ser partilhado por várias entidades (Figura 15).
Figura 15 - Exemplo de uma componente comum a todas as entidades e outra componente específica de uma
entidade (Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
Componente comum a
todas as entidades
Componente específico da
entidade
_________________________________________________________________________________
32
Na solução de SIG G/InterAqua™ os atributos das entidades encontram-se devidamente
estruturados em menus, os quais podem estar divididos segundo vários separadores para as
diferentes características, como se pode verificar para o caso de uma câmara de visita na Figura 16.
Figura 16 - Quadro de registo da entidade “câmara normal” do G/InterAqua™
(Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
Os atributos podem ser listas, sendo a manutenção destas listas, bem como as suas
relações, asseguradas por este módulo (Figura 17).
Figura 17 - Exemplo de um atributo com lista (Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
Diversos
separadores
Atributos do
registo da
câmara
normal
_________________________________________________________________________________
33
Módulo Multimédia
Na solução SIG G/InterAqua™ existe um campo reservado ao catálogo multimédia (Figura
18), onde podem ser associados ficheiros de Word, Excel, fotografias, filmes, desenhos DWG, entre
outros, e permitindo ao utilizador ter uma visão mais realista das infra-estruturas, dos órgãos e
equipamentos existentes. É de referir ainda que os desenhos AutoCad, constam da base de dados,
podendo, depois de devidamente organizados e categorizados, ser consultados, no catálogo
multimédia, de um modo transparente para o utilizador final.
Figura 18 - Campo multimédia para uma câmara com descarregador
(Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
Módulo Relatórios
O Módulo Relatórios produz relatórios acerca dos atributos das entidades contidas no modelo
de dados. Esta funcionalidade permite uma visualização, de forma organizada, dos atributos
escolhidos de cada entidade, para a produção de inventários e para uma gestão eficaz.
Módulo Modelação Matemática
Para se realizar modelação matemática de um sistema de abastecimento de água é
necessário construir, um ficheiro topológico, o qual leva o seu tempo. Este ficheiro permite
caracterizar toda a configuração geométrica da rede de distribuição de água e as características, por
exemplo diâmetro, rugosidade e comprimento das tubagens, e que um programa de simulação
hidráulica consegue ler. Este ficheiro apresenta uma formatação específica, dependendo do
programa, em que expõe normalmente as entidades separadas por secções dentro de parênteses
_________________________________________________________________________________
34
rectos e os atributos encontram-se separados por tabulações (Tab). Toda a informação que vem a
seguir a estas secções é lida pelo programa de simulação. Para uma fácil leitura do ficheiro, são
acrescentadas informações antecedidas, normalmente, de pontos e virgula (;), para indicar que esta
informação não é para ser lida, e apenas para ser visualizada no próprio ficheiro. Na
Figura 19, apresenta-se um extracto, de um ficheiro utilizado pelo programa EPANET, da
Environmental Protection Agency, onde podem ser visualizados os conceitos acima explicados.
Figura 19 - Parte de um ficheiro topológico (tubagens), de entrada para o EPANET (AQUASIS2, 2007).
A solução SIG G/InterAqua™ apresenta a funcionalidade de gerar automaticamente este
ficheiro topológico, de input para o EPANET. Este programa, tal como o SWMM, também se encontra
disponível gratuitamente, sendo um simulador amplamente utilizado para sistemas de distribuição de
água.
4.4.3. Módulo para Modelação Matemática de Drenagem Urbana
Uma vez criada a funcionalidade de gerar o ficheiro topológico a partir do G/InterAqua™ para
um simulador de distribuição de água, torna-se ambicioso realizar o mesmo trabalho para um
simulador do comportamento dos sistemas de drenagem urbana.
Para cumprir este objectivo, ou seja, a criação de um módulo desta natureza, foi necessário
fazer um estudo exaustivo do modelo SWMM (Capítulo 3), mais especificamente a caracterização das
infra-estruturas, de modo a elaborar um cadastro em SIG, para que se proceda à criação do ficheiro
topológico para o SWMM, designado Módulo Modelação Matemática (SWMM). Este tem como
finalidade gerar o ficheiro topológico automático de exportação para o SWMM.
Posteriormente à introdução da designação do respectivo módulo, analisaram-se as
entidades presentes no Módulo Administração do tema Saneamento (Anexo 1) para se proceder à
respectiva integração do mesmo, aspecto que será apresentado no Capítulo seguinte.
_________________________________________________________________________________
35
5. Integração do SWMM com a Solução de SIG G/InterAqua™
5.1. Considerações Introdutórias
Após a apresentação do programa SWMM (Capítulo 3) e da solução de SIG G/InterAqua™
(Capítulo 4), neste Capítulo apresenta-se a integração realizada entre a solução de SIG e o programa
SWMM, tema central da presente dissertação.
Como já foi referido, os modelos de simulação de sistemas de drenagem, como o SWMM,
têm uma necessidade significativa de dados, que em geral, se encontram no cadastro da entidade
gestora. No entanto, construir o ficheiro de dados do modelo de simulação com base no cadastro é
uma tarefa morosa, e sujeita a erros se for efectuado de forma manual. A criação de uma base de
dados do cadastro com uma estrutura adequada pode permitir uma fácil automatização deste
processo. Nestas circunstâncias a entidade gestora só se terá que preocupar em actualizar uma
única base de dados e deixa de ter necessidade de actualizar, por um lado, o cadastro, e, por outro, o
ficheiro de dados do modelo.
Com objectivo de se efectuar a ligação, entre o cadastro e o modelo de simulação SWMM, é
necessário um conjunto de etapas. Para desenvolver esta integração propõe-se as seguintes etapas:
o identificação das opções de simulação;
o desenvolvimento da interface das entidades;
o desenvolvimento da interface dos atributos;
o criação do ficheiro topológico.
Exposto isto, passa-se, seguidamente, à descrição de cada uma das etapas anteriormente
indicadas para a integração entre a solução de SIG e o programa SWMM.
5.2. Opções de Simulação
Como primeiro passo da integração do módulo SWMM na solução de SIG G/InterAqua™, é
necessário identificar com exactidão as diversas opções de simulação do SWMM (Figura 20). Sendo
assim, as diversas funções a ponderar são:
o as unidades utilizadas para definir o caudal, entre as possíveis, m3/s, l/s ou 1000 l/dia;
o a opção elevation ou depth;
o os modelos de infiltração nas bacias de drenagem, entre eles, os modelos de Horton, de
Green e Ampt, e do SCS;
o os modelos de propagação do escoamento nos colectores, que são, modelo do reservatório,
modelo cinemático e modelo dinâmico;
o a escolha ou não da opção Allow Ponding.
_________________________________________________________________________________
36
Figura 20 - Caixa de diálogo do SWMM para as opções da simulação (Fonte: SWMM, 2009).
Com as diversas opções identificadas, procede-se à sua análise, tendo em conta o interface
das entidades, bem como o interface dos respectivos atributos.
5.3. Interface das Entidades e dos Atributos
Após o reconhecimento das entidades presentes no SWMM, udómetros (Rain Gages), bacias
pluviais (Subcatchements), câmaras de visita (Juctions), pontos de rejeição (Outfalls), poços de
bombagem (Storage Units), colectores (Conduits), bombas (Pumps) e descarregadores (Weirs),
recorreu-se à ferramenta da solução de SIG G/InterAqua™ Administração para poder identificá-las no
Módulo Administração, e posteriormente proceder às associações dos respectivos atributos.
_________________________________________________________________________________
37
Após se proceder à análise da estrutura de dados de cadastro do SIG G/Interaqua™ e da
estrutura do ficheiro de dados do SWMM, obteve-se a correspondência que se apresenta no Quadro 3.
Quadro 3 - Associações entre as entidades do SWMM e da solução de SIG G/InterAqua™
Entidades
SWMM
Entidades da solução de
SIG G/InterAqua™
Udómetro (Rain Gages) Udómetro
Câmara de visita (Juctions) Câmara normal
Colectores (Conduits) Troço de colector
Troço de colector/emissário
Bomba (Pumps) Grupo electrobomba
Descarregador (Weirs) Câmara com descarregador
Quanto às restantes entidades, bacia pluvial, ponto de rejeição e poço de bombagem, uma
vez que não existiam na solução de SIG G/InterAqua™, foi necessário criá-las.
Para as entidades a introduzir no Módulo Administração e mais especificamente no Menu
Saneamento, a informação foi obtida em formato digital. Concluído este passo, seguiu-se, através do
mesmo esquema de trabalho, a interface dos atributos.
Identificaram-se os atributos de cada entidade no SWMM e de seguida no menu das
entidades do G/InterAqua™, procedeu-se à identificação dos atributos existentes e dos que seriam
necessário introduzir. A descrição dos atributos das diversas entidades está apresentada no Anexo 2.
A introdução do cadastro nos menus estruturados, consiste na recolha de informação
descritiva das infra-estruturas, como por exemplo, cota de soleira, profundidade de soleira e secção
do colector. Para os atributos que se repetem nas diversas entidades, realizou-se uma matriz para a
sua fácil introdução nas listas, Anexo 3.
De seguida, apresenta-se a interface dos atributos respectivos a cada entidade.
Udómetro (Rain Gages)
Na solução de SIG G/InterAqua™ existia a entidade udómetro (UDÓMETRO), mas este não
apresentava qualquer tipo de atributo, excepto a sua localização geográfica, pelo que se criaram
todos os atributos necessários (Quadro 4).
_________________________________________________________________________________
38
Quadro 4 - Atributos carregados na entidade UDÓMETRO
ATRIBUTOS SWMM
ATRIBUTOS DA SOLUÇÃO DE SIG G/INTERAQUA™
ATRIBUTOS EXISTENTES ATRIBUTOS CARREGADOS
Name IPID -
X-Coordinate Coordenada M -
Y-Coordinate Coordenada P -
Rain Format - Tipo de dados
Rain Interval - Intervalo
Data Source - Fonte de dados
Bacias Pluviais (Subcatchments)
A entidade bacia pluvial não existia na solução de SIG G/InterAqua™, pelo que foi necessário
criá-la (BACIA PLUVIAL). A sua delimitação foi criada como entidade SIG e os seus atributos foram
carregados, de acordo com o Quadro 5.
Quadro 5 - Atributos carregados na entidade BACIA PLUVIAL
ATRIBUTOS SWMM
ATRIBUTOS DA SOLUÇÃO DE SIG G/INTERAQUA™
ATRIBUTOS EXISTENTES ATRIBUTOS CARREGADOS
Name IPID -
X-Coordinate - Coordenada M
Y-Coordinate - Coordenada P
Rain Gage
Udómetro entrada
Outlet Caixa de saída -
Area - Área da bacia
Width - Largura da bacia
% Slope - Declive da bacia
% Imperv - Percentagem de área impermeável
N-Imperv - Coeficiente de Manning para a área impermeável
N-Perv - Coeficiente de Manning para a área permeável
Dstore-Imperv - Altura sobre a área impermeável
Dstore-Perv - Altura sobre a área permeável
%Zero-Imperv - Percentagem área impermeável zero
Subarea Routing - Tipo de escoamento
Percent Routed - Percentagem de escoamento
_________________________________________________________________________________
39
Quadro 5 - Atributos carregados na entidade BACIA PLUVIAL (Continuação)
ATRIBUTOS SWMM
ATRIBUTOS DA SOLUÇÃO DE SIG G/INTERAQUA™
ATRIBUTOS EXISTENTES ATRIBUTOS CARREGADOS
Modelo Horton:
Modelo Horton:
Max. Infil. Rate - Taxa de infiltração máxima
Min. Infil. Rate - Taxa de infiltração mínima
Decay Constant - Constante de decaimento
Drying Time - Tempo de secagem
Max. Volume - Volume máximo
A área da bacia, bem como a respectiva largura, são parâmetros obtidos directos pela
solução de SIG G/InterAqua™. No que diz respeito aos restantes parâmetros, são introduzidos
manualmente.
Câmaras de visita (Junctions)
As câmaras de visita eram entidades na solução de SIG G/InterAqua™ (CÂMARA NORMAL)
e carregadas quanto aos atributos, cota de soleira e profundidade de soleira.
No que respeita às afluências e aos restantes parâmetros, foram também carregados
conforme figuram no Quadro 6.
Quadro 6 - Atributos carregados na entidade CÂMARA NORMAL
ATRIBUTOS SWMM
ATRIBUTOS DA SOLUÇÃO DE SIG G/INTERAQUA™
ATRIBUTOS EXISTENTES ATRIBUTOS CARREGADOS
Name IPID -
X-Coordinate Coordenada M -
Y-Coordinate Coordenada P -
Invert Elevation Cota soleira -
Max. Depth Profundidade soleira -
Initial Depth - Altura inicial
Surcharge Depth - Altura adicional
Ponded Area - Área superficial
Inflows:
Afluências:
Parameter - Tipo de parâmetro
Average Value - Valor médio
Time Patterns - Padrão de tempo
_________________________________________________________________________________
40
Troço de colector e troço de emissário (Conduits)
Toda a rede de colectores (troços de colectores e troços de emissários) encontrava-se
carregada na solução de SIG G/InterAqua™, excepto um dos atributos, o qual foi introduzido e que se
caracteriza por coeficiente de rugosidade de Manning. As associações dos atributos desta entidade
mostram-se no Quadro 7.
Quadro 7 - Atributos carregados na entidade troço de COLECTOR e TROÇO DE EMISSÁRIO
ATRIBUTOS SWMM
ATRIBUTOS DA SOLUÇÃO DE SIG G/INTERAQUA™
ATRIBUTOS EXISTENTES ATRIBUTOS CARREGADOS
Name IPID -
Inlet Node Nó inicial -
Outlet Node Nó final -
Shape: Tipo de secção: -
Geom1 Diâmetro / Dimensão maior -
Geom2 Dimensão menor -
Geom3 Altura -
Length Comprimento -
Flap Gate Válvula de retenção/maré -
Roughness - Coeficiente de rugosidade de Manning
Inlet Offset Cota montante -
Outlet Offset Cota jusante -
Initial Flow - Escoamento inicial
Maximum Flow - Escoamento máximo de transporte
Nos atributos Inlet offset e Outlet offset foram utilizadas as cotas de montante e jusante,
respectivamente, pois escolheu-se a opção elevation e não depth, uma vez que estes atributos já se
encontravam carregados. Desta forma, com a opção elevation deixa de ser necessário introduzir a
altura de queda, sendo esta a diferença entre a cota de montante ou de jusante, e a cota de soleira,
conforme se trate de Inlet ou Outlet. Para uma melhor compreensão, na Figura 21 estão identificados
cota de jusante do colector (1), cota de soleira da câmara de visita (2) e a diferença entre estas duas
representa a altura de queda.
Figura 21 - Explicação do Inlet offset e Outlet offset (Rossman, 2008).
_________________________________________________________________________________
41
Câmaras com descarregadores (Weirs)
As câmaras com descarregador, enquanto na solução de SIG G/InterAqua™ são
representados por nós, no SWMM são linhas; em face disto, a sua interface, foi atribuído a cada
câmara com descarregador uma câmara de visita (nó), a montante e a jusante. Como se pode
verificar no Quadro 8, os atributos da câmara de visita repetem-se para montante e jusante, mas
estas câmaras na realidade não existem, apenas servem de apoio à modelação matemática. Na
solução de SIG G/InterAqua™ apenas aparecem na caracterização da câmara com descarregador.
As características dos descarregadores inseridos no modelo foram carregadas segundo o
Quadro 8.
Quadro 8 - Atributos carregados na entidade CÂMARA COM DESCARREGADOR
ATRIBUTOS SWMM
ATRIBUTOS DA SOLUÇÃO DE SIG G/INTERAQUA™
ATRIBUTOS EXISTENTES ATRIBUTOS CARREGADOS
Name IPID -
X-Coordinate Coordenada M -
Y-Coordinate Coordenada P -
Flap Gate Válvula de Maré -
Type: - Tipo de descarregador:
TRANSVERSE - Transversal rectangular
SIDEFLOW - Lateral rectangular
V-NOTCH - Triangular
TRAPEZOIDAL - Trapezoidal
Height - Altura livre
Inlet Offset - Cota de soleira
Inlet Node Nó inicial -
Outlet Node Nó final -
Discharge Coeff. - Coeficiente de vazão
End Coeff. - Coeficiente de escoamento
End Contractions - Número de contracções
Length - Comprimento mureto
Side Slope - Declive parede lateral
Inlet Juction:
Câmara de Montante:
Invert Elevation - Cota de soleira Montante
Max. Depth - Profundidade à soleira Montante
Parameter - Tipo de parâmetro Montante
Average Value - Valor médio Montante
Time Patterns - Padrão de tempo Montante
_________________________________________________________________________________
42
Quadro 8 - Atributos carregados na entidade CÂMARA COM DESCARREGADOR (Continuação)
ATRIBUTOS SWMM
ATRIBUTOS DA SOLUÇÃO DE SIG G/INTERAQUA™
ATRIBUTOS EXISTENTES ATRIBUTOS CARREGADOS
Outlet Juction:
Câmara de Jusante:
Invert Elev. - Cota de soleira Jusante
Max. Depth - Profundidade à soleira Jusante
Parameter - Tipo de parâmetro Jusante
Average Value - Valor médio Jusante
Time Patterns - Padrão de tempo Jusante
Poço de bombagem (Storage Units)
A entidade poço de bombagem existia na solução de SIG G/InterAqua™ como uma área, o
que diz respeito ao recinto da estação elevatória.
Deste modo, foi introduzido no G/InterAqua™ um nó representativo do poço de bombagem,
uma vez que a localização deste órgão é simbólica, pois o SWMM não trata condutas elevatórias e
abstrai-se de todo o recinto. Assim, existem alguns dispositivos que são ignorados na modelação dos
sistemas de drenagem (YEN, 1986) como exemplo disso referem-se as válvulas de retenção e as
válvulas de suspensão.
Na solução de SIG G/InterAqua™, associa-se o poço de bombagem às bombas, e
posteriormente as bombas à câmara de visita onde finaliza a conduta elevatória, não representando
assim os troços de colector e de conduta.
Todos os parâmetros exigidos pelo SWMM foram carregados com base no Quadro 9.
Quadro 9 - Atributos carregados na entidade POÇO DE BOMBAGEM
ATRIBUTOS SWMM
ATRIBUTOS DA SOLUÇÃO DE SIG G/INTERAQUA™
ATRIBUTOS EXISTENTES ATRIBUTOS CARREGADOS
Name IPID -
X-Coordinate Coordenada M -
Y-Coordinate Coordenada P -
Invert Elevation. Cota soleira -
Max. Depth Profundidade soleira -
_________________________________________________________________________________
43
Quadro 10 - Atributos carregados na entidade POÇO DE BOMBAGEM (Continuação)
ATRIBUTOS SWMM
ATRIBUTOS DA SOLUÇÃO DE SIG G/INTERAQUA™
ATRIBUTOS EXISTENTES ATRIBUTOS CARREGADOS
Inflows: - Afluências:
Parameter - Tipo de parâmetro
Average Value - Valor médio
Time Patterns - Padrão de tempo
Evap. Factor - Factor de evaporação
Shape Curve Functional: - Tipo de poço
Coeff - Coeficiente (A)
Exponent - Expoente (B)
Constant - Constante (C)
StorageCurve Tabular - Nome da curva
Grupo electrobomba (Pumps)
Os atributos dos grupos electrobombas foram carregados segundo o Quadro 11.
Quadro 11 - Atributos carregados na entidade GRUPO ELECTROBOMBA
ATRIBUTOS SWMM
ATRIBUTOS DA SOLUÇÃO DE SIG G/INTERAQUA™
ATRIBUTOS EXISTENTES ATRIBUTOS CARREGADOS
Name IPID -
X-Coordinate Coordenada M -
Y-Coordinate Coordenada P -
Inlet Node Nó inicial -
Outlet Node Nó final -
Initial Status (ON, OFF) - Estado inicial (ON, OFF)
Startup Depth - Cota de arranque (m)
Shutoff Depth - Cota de paragem (m)
Pump Curve - Nome da curva
As características do funcionamento dos grupos electrobombas são introduzidas nas regras
de controlo (Controls Rules) no próprio SWMM.
_________________________________________________________________________________
44
Pontos de rejeição (Outfalls)
No caso dos pontos de rejeição, existiam como entidades (PONTO REJEIÇÃO) na solução
de SIG G/InterAqua™, mas não se encontravam carregados.
Os atributos exigidos pelo SWMM para caracterizar os pontos de rejeição foram introduzidos
conforme se apresentam no Quadro 12.
Quadro 12 - Atributos carregados na entidade PONTO DE REJEIÇÃO
ATRIBUTOS SWMM
ATRIBUTOS DA SOLUÇÃO DE SIG G/INTERAQUA™
ATRIBUTOS EXISTENTES ATRIBUTOS CARREGADOS
Name IPID -
X-Coordinate Coordenada M -
Y-Coordinate Coordenada P -
Invert Elevation - Cota de descarga
Inflow: - Afluências:
Parameter - Tipo de parâmetro
Average Value - Valor médio
Time Patterns - Padrão de tempo
Type: - Tipo de descarga:
FREE - Livre
Time Series - Parâmetro de descarga
Tide Gate - Com válvula a montante
5.4. Ficheiro Topológico
Após a respectiva identificação e análise da interface das entidades e dos atributos, procede-
se, posteriormente, à criação do ficheiro topológico.
O ficheiro topológico permite que uma área seleccionada, incluindo todas as entidades e
atributos presentes no seu cadastro, venha a ser exportada para o programa de modelação
matemática SWMM.
Para tal, criou-se um comando na barra de ferramentas na solução de SIG G/InterAqua™
(Figura 22), onde surge uma caixa de diálogo da modelação SWMM, onde se identifica o ficheiro e as
opções de simulação, para posteriormente ser então gerado o ficheiro topológico (Figura 23).
Figura 22 - Comando da barra de ferramentas da solução de SIG G/InterAqua™ para gerar o ficheiro topológico
para o SWMM (adaptado da solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
_________________________________________________________________________________
45
Figura 23 - Caixa de diálogo para a geração do ficheiro topológico
(Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
Exposta a integração do módulo SWMM na solução de SIG G/InterAqua™ e como forma de
valorização do trabalho efectuado, surge a necessidade de demonstrar as mais-valias desta
interligação, com o desenvolvimento de um caso de estudo, aspecto que será desenvolvido no
Capítulo seguinte.
_________________________________________________________________________________
46
_________________________________________________________________________________
47
6. Caso de Estudo
6.1. Enquadramento
A existência de infra-estruturas de saneamento de águas residuais é essencial para a
preservação dos recursos hídricos, para a melhoria da qualidade do ambiente, para a existência de
boas condições sanitárias e para a melhoria da qualidade de vida das populações.
Em Portugal os sistemas de saneamento de águas residuais dividem-se em multimunicipais
(normalmente designados em linguagem corrente por sistemas em “alta”) e municipais (normalmente
designados em linguagem corrente por sistemas em “baixa”). Os sistemas em “alta” e “baixa”
distinguem-se pelo seguinte: entende-se por “alta” as infra-estruturas que permitem a recolha nos
pontos de entrega, o transporte, o tratamento e o destino final rejeição de águas residuais, e por
“baixa” as infra-estruturas que permitem, desde os domicílios das populações servidas, a condução
das águas residuais até aos pontos de entrega (INAG, IRAR e AdP, 2008).
A entidade gestora do sistema em “alta” não é, normalmente, a entidade gestora do sistema
em “baixa” para o qual descarrega.
A Figura 24 apresenta uma distribuição geográfica das entidades gestoras dos sistemas em
“alta”.
Para testar a integração realizada entre o SWMM e a solução de SIG G/InterAqua™ e o
SWMM, recorreu-se à entidade gestora da rede em “alta” que possuísse a solução SIG
G/InterAqua™ e que tivesse modelado o seu sistema com o programa SWMM, tendo a escolha
recaído na SIMTEJO - Saneamento Integrado dos Municípios do Tejo e Trancão, S.A. A SIMTEJO é
responsável pela rede em “alta” de Lisboa e a rede em “baixa” ao cargo da Câmara Municipal Lisboa.
O caso de estudo incidiu no subsistema de Beirolas gerido pela SIMTEJO, a qual é
responsável pelo serviço de saneamento de águas residuais em alta.
Para introduzir dados correctos de cadastro nos atributos das respectivas entidades, tomou-
-se como base o estudo Sisaqua e Cenor (2007), uma vez que não foram realizados qualquer tipo de
trabalho de levantamento de cadastro em campo. Este estudo foi realizado para se perceber como a
entidade gestora (SIMTEJO) deveria intervir na rede de Beirolas para reduzir as afluências ao
sistema.
_________________________________________________________________________________
48
Figura 24 - Entidades gestoras responsáveis pelo serviço de saneamento de águas residuais em alta
(Fonte: www.adp.pt, 2009).
_________________________________________________________________________________
49
O serviço de saneamento de águas residuais, na sua generalidade, segue um procedimento,
no qual recolhe as rejeições provenientes das actividades domésticas, públicas, comerciais e/ou
industriais. O mesmo assegura um tratamento adequado e descarrega as águas tratadas em
condições que não terem um impacte negativo na qualidade da água dos meios receptores (Figura
25).
Figura 25 - Procedimento para as águas residuais (INAG, IRAR e AdP, 2008).
Águas Residuais
_________________________________________________________________________________
50
6.2. Apresentação da SIMTEJO
A SIMTEJO foi criada em Novembro de 2001 e corresponde a uma Empresa cujos
accionistas são a Águas de Portugal, S.G.P.S., S.A. e os Municípios, da Amadora, Lisboa, Loures,
Mafra, Odivelas e Vila Franca de Xira (Figura 26).
Esta Empresa, em regime de concessão, detém a exclusividade da exploração e gestão do
Sistema Multimunicipal de Saneamento do Tejo e Trancão, sendo também a responsável pela
construção das infra-estruturas em “alta” dos diversos municípios.
Figura 26 - Área de intervenção da SIMTEJO (adaptado de www.simtejo.pt, 2009).
A SIMTEJO tem objectivos muito claros: recolher, tratar e rejeitar as águas residuais destes
municípios, visando a prestação de um serviço de qualidade com respeito pelos aspectos essenciais
de ordem social e ambiental, assim como a disponibilização das suas capacidades ao serviço do
interesse nacional (SIMTEJO, 2008).
Para o cumprimento dos objectivos apontados no parágrafo anterior, é responsável pela
concepção, construção, extensão, reparação, renovação, manutenção e melhoria das obras e
equipamentos.
A construção das infra-estruturas de saneamento – interceptores, emissários e estações
elevatórias – localizadas nos municípios, irá possibilitar o tratamento de efluentes, melhorando as
condições sanitárias e a qualidade de vida da população local. Assim, a SIMTEJO está a contribuir
para a despoluição dos rios Tejo e Trancão, preservando a qualidade do ambiente e dos recursos
hídricos, e a qualidade de vida das populações na área servida.
No Quadro 13, estão representados os subsistemas de saneamento do Sistema
Multimunicipal.
_________________________________________________________________________________
51
Quadro 13 - Subsistemas de Saneamento dos Sistemas Multimunicipais de Saneamento da SIMTEJO
Sistema Multimunicipal
de Saneamento
Subsistemas de
Saneamento
Lisboa
Alcântara
Chelas
Beirolas
Loures
Frielas
Bucelas
S. João da Talha
Vila Franca de Xira
Alverca
Vila Franca de Xira
Pequenos subsistemas
Mafra
Mafra
Ericeira
Malveira
Pequenos subsistemas
A presente dissertação incide no subsistema de saneamento de Beirolas do Subsistema
Multimunicipal de Saneamento de Lisboa.
6.3. Modelo Matemático do Subsistema de Beirolas
Como forma de verificar a fiabilidade da integração efectuada, o presente caso de estudo
incidiu sobre o modelo matemático do subsistema em alta de Beirolas em SWMM, cedido pela
SIMTEJO. Através do SWMM foi possível a interpretação de vários cenários do comportamento do
sistema, com vista a uma leitura o mais próxima da realidade, de forma a avaliar as alternativas de
controlo de afluências pluviais propostas.
O subsistema de Beirolas está delimitado a norte pelo aeroporto da Portela, a leste pelo
Beato, a oeste pelo concelho de Loures e a Sul pelo Parque das Nações, servindo a freguesia de
Santa Maria dos Olivais e ainda uma parte do concelho de Loures. É composto por duas bacias
distintas, abrangendo uma área total de 1 700 hectares servindo 204 000 habitantes equivalentes,
constituído por 7 estações elevatórias e emissários gravíticos numa rede de 18 km de interceptores,
que confluem na ETAR de Beirolas (Figura 27), que está inserida dentro do Parque das Nações e
preparada para receber as águas residuais urbanas provenientes da Zona Oriental de Lisboa (Santa
Maria dos Olivais, Marvila e Parque das Nações) e ainda parte dos afluentes produzidos no Concelho
_________________________________________________________________________________
52
de Loures (Moscavide, Portela, Prior Velho, Unhos, Apelação, Camarate e Sacavém), produzindo um
caudal tratado de 62 000m3/dia (SIMTEJO, 2008).
Figura 27 - ETAR de Beirolas (Fonte: www.SIMTEJO.pt, 2009).
O modelo matemático do subsistema em “alta” de Beirolas foi avaliado por subsistemas que
foram identificados pela respectiva estação elevatória (EE12, EE13, EE14, EE15, EE16+EE17,
EESacavém) e os sistemas gravíticos que corresponde a sete bacias que drenam graviticamente
para a ETAR (Sisaqua e Cenor, 2007).
Dada a complexidade deste sistema, e ao prazo para a realização da presente dissertação, o
teste da integração do programa SWMM com a solução de SIG G/InterAqua™ foi apenas aplicado o
subsistema EE12 (Figura 28). A EE12 é a primeira estação elevatória da linha de transporte
sequencial até à ETAR de Beirolas, recebe os caudais de seis bacias de drenagem (Subcatchments),
e é constituído por 34 câmaras de visita (Junctions), 42 colectores (Conduits), quatro
descarregadores (Weirs), uma unidade de armazenamento (Storage units), três bombas (Pumps),
dois pontos de descarga do sistema (Outfalls) e um udómetro (Rain Gages).
_________________________________________________________________________________
53
Figura 28 - Na esquerda carta militar com as bacias georreferenciadas do modelo de Beirolas, na direita
ortofotomapa com as bacias georreferenciadas do subsistema EE12 de Beirolas
(Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
6.4. Ficheiro Topológico do Subsistema EE12 de Beirolas
O primeiro passo, na introdução dos dados em ambiente da solução de SIG G/InterAqua™,
consistiu em georreferenciar todos os órgãos. Uma vez que o subsistema da EE12 de Beirolas não
estava totalmente carregado na solução de SIG G/InterAqua™, de modo a facilitar a localização de
todas as infra-estruturas, fez-se a exportação das coordenadas de todas as entidades do estudo do
modelo do subsistema EE12 de Beirolas em SWMM cedido pela SIMTEJO, para a solução de SIG
G/InterAqua™. Deste modo, garantiram-se as infra-estruturas existentes, e, relativamente às que
estavam em falta, georreferenciaram-se em SIG com o maior rigor possível.
Toda a informação respeitante aos atributos das diversas entidades foi carregada de acordo
com o modelo matemático de Beirolas em SWMM já calibrado (Anexo 4).
_________________________________________________________________________________
54
Udómetro (Rain Gages)
Apresenta-se na Figura 29, o udómetro que mede o caudal que irá drenar nas bacias do
subsistema da EE12.
Figura 29 - Carta militar com o udómetro georreferenciado no subsistema EE12
(Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
Bacias Pluviais (Subcatchments)
A delimitação das bacias pluviais do subsistema EE12 de Beirolas (B1, B2, B3, B4, B28 e
B29) foi desenhada a partir de informação fornecida em AutoCad pela SIMTEJO (Figura 30) e os
atributos foram introduzidos com os dados que se encontram patentes no ponto 1. do Anexo 4.
_________________________________________________________________________________
55
Figura 30 - Ortofotomapa com as bacias de drenagem georeferenciadas do subsistema EE12 de Beirolas.
(Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
No processo de validação, diversos parâmetros das bacias de drenagem foram ajustados,
como é o caso da percentagem de área impermeável que permite considerar armazenamento,
valores do coeficiente de Manning representativos da área permeável e impermeável, entre outros
(Sisaqua e Cenor, 2007).
Câmaras de visita (Junctions)
As câmaras de visita do subsistema de Beirolas (Figura 31) foram carregadas segundo o
ponto 2. do Anexo 4.
_________________________________________________________________________________
56
Figura 31 - Ortofotomapa com as câmaras de visitas georreferenciadas
(Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
Nas figuras 32, 33 e 34 ilustra-se uma câmara de visita carregada no campo multimédia da
solução de SIG G/InterAqua™.
Figura 32 - Fotografia da câmara
de visita 401
(Fonte: solução de SIG
G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
Figura 33 - Fotografia da câmara
de visita antes da limpeza
(Fonte: solução de SIG
G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
Figura 34 - Fotografia da câmara
de visita após limpeza
(Fonte: solução de SIG
G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
_________________________________________________________________________________
57
Troços de colector e troços de emissário (Conduits)
Em relação à rede de colectores do subsistema de Beirolas (Figura 35), foram inseridos os
troços de colector e troços de emissário, que se apresentam nos pontos 3. e 4. do Anexo 4,
respectivamente.
Figura 35 - Ortofotomapa com a rede georreferenciada
(Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
Câmaras com descarregadores (Weirs)
Os descarregadores presentes no subsistema EE12 de Beirolas são de descarga lateral, e as
características dos descarregadores inseridos no modelo foram introduzidos segundo o ponto 5. do
Anexo 4.
Como se pode observar na Figura 36, as bacias B1, B2, B3 e B4 são bacias de cabeceira, as
quais têm associadas as respectivas câmaras com descarregador (101267, 101268, 101271 e
101272) e as bacias B28 e B29 são bacias de percurso.
_________________________________________________________________________________
58
Figura 36 - Bacias de drenagem e câmaras com descarregador - subsistema EE12 de Beirolas
georreferenciadas (Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
Na Figura 37, pode-se observar, a partir do campo multimédia, um corte transversal do SIG
da SIMTEJO da câmara com descarregador 101272 do subsistema da EE12 de Beirolas.
Figura 37 - Corte transversal da câmara com descarregador 101272 do subsistema da EE12 de Beirolas
(Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
_________________________________________________________________________________
59
Poço de bombagem (Storage Units)
O poço de bombagem está representado apenas por um ponto simbólico no recinto da
estação elevatória (Figura 38), e foi dado de entrada segundo o ponto 6. do Anexo 4.
Figura 38 - Ortofotomapa com a representação do poço de bombagem da EE12
(Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
Grupo electrobomba (Pumps)
A EE12 recebe os caudais das bacias B1, B2, B3, B4 B28 e B29 e é constituída por três
grupos electrobomba, estando sempre duas bombas em funcionamento simultâneo e a outra serve
de reserva para alguma eventualidade, como por exemplo avaria ou limpeza.
Segundo o estudo Sisaqua e Cenor (2007), as características inseridas no modelo para a
EE12 para períodos de tempo seco, estão apresentadas nas regras de controlo (Controls Rules) (Figura
39), e durante eventos de precipitação a EE12 encerra, não havendo bombagens de caudal.
_________________________________________________________________________________
60
Figura 39 - Caixa de diálogo das regras de controlo (Sisaqua e Cenor, 2007).
Como referido nos Capítulos 3 e 5, o SWMM não trata condutas em pressão, sendo as
estações elevatórias representadas no modelo através de uma unidade de recepção e
armazenamento de caudal (poço de bombagem) ligado ao sistema gravítico a jusante, através de
linhas de bombagem (bombas). A conduta elevatória (Figura 40) não é representada fisicamente
terminando as linhas de bombagem na extremidade de jusante da conduta elevatória existente no
sistema real.
Figura 40 - Ortofotomapa com a conduta elevatória georreferenciada
(Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
_________________________________________________________________________________
61
Pontos de rejeição (Outfalls)
No caso do subsistema de Beirolas, os pontos de rejeição não se encontravam carregados,
uma vez que a gestão é da responsabilidade da Câmara Municipal de Lisboa e não a SIMTEJO.
Estes pontos foram introduzidos com base na exportação das suas coordenadas a partir do modelo
do subsistema da EE12 de Beirolas no SWMM e com o auxílio da rede de Lisboa, para que a sua
localização fosse a correcta (Figura 41). Os dados dos pontos de rejeição estão apresentados
ponto 7. do Anexo 4.
Figura 41 - Ortofotomapa com os pontos de rejeição georreferenciados
(Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
Ficheiro topológico
Após o carregamento digital completo do subsistema da EE12 de Beirolas, foi realizado uma
Query (pesquisa de todas as entidades que SWMM) em todas as entidades pertencentes a este
subsistema, as quais foram seleccionadas pelo comando Select by Legend da barra de ferramentas
da solução de SIG G/InterAqua™ de modo a ser gerado o ficheiro topológico.
Ao pressionar o respectivo botão para gerar o ficheiro, surge então a caixa de diálogo onde
se escolheu as opções de simulação (Figura 42) sendo: o modelo de Horton para a infiltração das
bacias, para a propagação do escoamento nos colectores o modelo dinâmico e utilizou-se a devida
opção Allow Ponding.
_________________________________________________________________________________
62
Figura 42 - Opções da caixa de diálogo para a geração do ficheiro topológico
(Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
As unidades utilizadas no SWMM (Quadro 14) foram as unidades métricas do Sistema
Internacional, pelo que se teve o cuidado de proceder à conversão das unidades no ficheiro
topológico sempre que as unidades da solução de SIG G/InterAqua™ não coincidiam com as do
SWMM.
Quadro 14 - Unidades de medida seleccionadas no SWMM
Atributo Unidades SI
Área da bacia ha
Área do poço m2
Área superficial m2
Constante de decaimento 1/h
Altura m
Diâmetro m
Cota altimétrica m
Escoamento m3/s
Comprimento m
Coeficiente de Manning s/m1/3
Declive da bacia %
Declive do colector -
Volume m3/s
Largura característica da bacia m
Foi então realizada a exportação do subsistema EE12 de Beirolas, da qual surgiu ficheiro
topológico (Figura 43).
_________________________________________________________________________________
63
Figura 43 - Caixa de diálogo dos resultados (Fonte: solução de SIG G/InterAqua™, AQUASIS, 2009).
A Figura 44 corresponde à representação do modelo matemático no SWMM, gerado a partir
do ficheiro topológico.
Figura 44 - Esquema do subsistema EE12 de Beirolas em SWMM gerado a partir da solução de SIG
G/InterAqua™.
_________________________________________________________________________________
64
Posteriormente, este modelo foi comparado com o modelo da Sisaqua e Cenor (2007)
(Figura 45) para ser confirmada a fiabilidade do ficheiro gerado a partir da solução de SIG
G/InterAqua™.
Figura 45 - Esquema do subsistema de Beirolas em SWMM (Fonte: Modelo do subsistema
de Beirolas Sisaqua e Cenor em SWMM, 2007).
Após o processo de caracterização e exportação do subsistema EE12 de Beirolas para o
SWMM, foi possível comparar os modelos e tirar algumas conclusões.
Na representação dos modelos, apesar de parecem um pouco distintos, na realidade
apresentam exactamente as mesmas características. No estudo Sisaqua e Cenor (2007), a
delimitação das bacias não se apresenta como na realidade, como se pode verificar no ficheiro
gerado a partir da solução de SIG G/InterAqua™.
Na representação dos grupos electrobombas, no modelo Sisaqua e Cenor (2007) observam-
se melhor que no ficheiro que se gerou, apresentando-se as linhas de representação dos grupos do
novo modelo muito coincidentes.
_________________________________________________________________________________
65
7. Síntese Conclusiva e Recomendações
Projectar, operar e manter sistemas de Saneamento de águas residuais apresenta-se como
uma actividade complexa, devido à dispersão geográfica e aos seus inúmeros órgãos que os
constituem. Assim, justifica-se a passagem de toda a informação para um formato digital e a
construção de um Sistema de Informação Geográfica (SIG), que se constitui como uma ferramenta
que facilita e torna as tarefas de gestão e manutenção das infra-estruturas mais eficazes.
A presente dissertação teve como objectivo dar um contributo na elaboração de um cadastro
mais rigoroso na rede de drenagem de águas residuais do subsistema EE12 de Beirolas, provando
assim que a solução de SIG G/InterAqua™ constitui-se como uma boa ferramenta de apoio para
realização da modelação matemática dos sistemas com recurso ao programa SWMM. Por tal facto, a
solução de SIG G/InterAqua™ poderá ser utilizado com maior facilidade na criação de ficheiros
topológicos para o SWMM.
Os modelos de modelação matemática são muito úteis na simulação da realidade permitindo
gerar diversos cenários para posteriormente as entidades gestoras tomarem as decisões adequadas.
O estudo da Sisaqua e Cenor (2007) permitiu perceber como realizar a redução das
afluências pluviais ao sistema, através da calibração e validação do modelo, a partir de intervenções
nas infra-estruturas e nos parâmetros hidrológicos como por exemplo a percentagem de área
impermeável das bacias, os valores de Manning representativos da área permeável e impermeável,
entre outros. Este projecto foi muito mais moroso na construção do modelo matemático do que se
tivesse sido recorrendo à solução de SIG, G/InterAqua™.
Face às etapas do processo de modelação, a solução de SIG G/InterAqua™ revelou-se ser
muito importante para as três primeiras etapas da modelação: i) Recolha de informação cadastral; ii)
Actualização do cadastro e verificação da informação sobre o sistema; iii) geração do ficheiro
topológico requerido pelo programa SWMM. Quanto à quarta etapa iv) Monitorização de
caudais/precipitação, dada a natureza da informação em questão, não se considera relevante o
recurso à solução de SIG G/InterAqua™ para guardar os registos das medições de caudal e
precipitação, para calibração e verificação do modelo matemático. Neste caso, o SIG apenas deve
representar estas infra-estruturas de medição para se perceber onde se localizam geograficamente.
As restantes etapas do processo, v) Calibração, vi) Verificação e vii) Simulação de diferentes
cenários, devem ser realizadas no programa de modelação matemática, no caso presente o SWMM.
Apresentam-se algumas recomendações no âmbito do aperfeiçoamento da solução de SIG
G/InterAqua™, utilizada na presente dissertação:
o seria de grande utilidade que o SIG pudesse desenhar os polígonos de Thiessen
para o cálculo das áreas de influência de um estação udométrica, de modo a facilitar
a identificação das bacias pluviais associadas aos respectivos udómetros.
o nas associações do poço de bombagem, aos grupos electrobombas e posteriormente
à primeira câmara de visita do sistema gravítico, deveriam-se colocar alguns vértices
na criação do ficheiro topológico na solução de SIG G/InterAqua™, para realçar a
_________________________________________________________________________________
66
representação dos grupos electrobombas em paralelo, uma vez que estes
apresentam uma difícil observação no SWMM.
o deveria-se efectuar o mesmo estudo para gerar ficheiro topológico para a modelação
do comportamento dos sistemas de drenagem, face ao tratamento das águas
residuais e do meio receptor.
_________________________________________________________________________________
67
Referências Bibliográficas
AMORIN J. (2008) - Modelação e Gestão Avançada de Sistemas de Drenagem Urbana. Dissertação
de Mestrado, Departamento de Engenharia Civil, Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de
Lisboa, Lisboa, Portugal.
AQUASIS1 (2007) - Sistemas de Informação Geográfica. Flyer G/InterAqua™, Lisboa, Portugal.
AQUASIS2 (2007) - Sistemas de Informação Geográfica. G/InterAqua™ - Módulo Modelação
Matemática, Documento V.01, Lisboa, Portugal.
AQUASIS (2009) - Formação em Administração. G/InterAqua™, Lisboa, Portugal.
CARVALHO, Rita F. (2008) - Sistemas de Drenagem de Águas Pluviais e Residuais – Apontamentos
de Drenagem Pública, Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Ciências e Tecnologia,
Universidade de Coimbra, Coimbra, Portugal.
DAVID M. (2005) - Modelação Matemática em Sistemas de Drenagem Urbana: Um Caso de Estudo,
Instituto Politécnico de Setúbal, Barreiro, Portugal.
ESPANHA A., et al (2008) - Sistemas de Informação Geográfica. O Essencial no Sector das Águas.
Associação Portuguesa de Distribuição e Drenagem de Águas, Lisboa, Portugal.
FERREIRA F. (2006) - Modelação e Gestão Integrada de Sistemas de Àguas Residuais. Dissertação
de Doutoramento, Departamento de Engenharia Civil, Instituto Superior Técnico, Universidade
Técnica de Lisboa, Lisboa, Portugal.
FERREIRA F. (2007) - Drenagem Urbana. Departamento de Engenharia Civil, Secção de Hidráulica e
Recursos Hídricos e Ambientais, Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa, Lisboa,
Portugal.
GOMES A. (2008) - Acumulação e Transporte de Sedimentos na Microdrenagem: Monitoramento e
Modelagem. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil.
HUBER, W.C. e DICKINSON, R.E. (1992) - Storm Water Management Model, Version 4: User´s
Manual. U.S. Enviromental Protect Agency. Athens, Georgia.
INAG, IRAR e AdP (2008) - Abastecimento de Água e Saneamento de Águas Residuais. Infra-
estruturas – Águas e Saneamento. Informação de Portugal. Lisboa, Portugal.
_________________________________________________________________________________
68
MARTINS DOS SANTOS, M. I. e HIPÓLITO, J. R. (2005) - Análise do Escoamento em Rios Sujeitos
à Influência da Maré. Curva de Vazão. 7.º Simpósio de Hidráulica e Recursos Hídricos dos Países de
Língua Oficial Portuguesa, Évora, Portugal.
MATOS J. (2005) - Modelação Integrada de Sistemas de Águas Residuais. Seminário de Aspectos
em Portugal e na União Europeia das directivas incidentes no ciclo urbano da água. APRH, Covilhã,
Portugal.
MELLER A. (2004) - Simulação Hidrodinâmica Integrada de Sistema de Drenagem em Santa Maria-
RS. Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil, Universidade Federal de Santa Maria, Santa
Maria, Brasil.
NUNES M. (2007) - Levantamento e Caracterização das Infra-estruturas da Rede de Saneamento da
Zona Industrial da AutoEuropa para a elaboração de um cadastro em SIG. Relatório de Estágio.
Escola Superior de Tecnologia, Instituto Politécnico, Setúbal, Portugal.
PORTELA M. (2006) - Modelação Hidrológica. Departamento de Engenharia Civil, Secção de
Hidráulica e Recursos Hídricos e Ambientais, Instituto Superior Técnico, Lisboa, Portugal.
QUINTELA A. (1996) - Apontamentos de Hidrologia e Recursos Hídricos, Departamento de
Engenharia Civil, Instituto Superior Técnico, Lisboa, Portugal.
ROSSMAN, L. A. (2008) - Storm Water Management Model, Version 5: User´s Manual. U.S.
Enviromental Protection Agency. Cincinnati, OH United States.
RIBEIRO DE SOUSA, E., LAGES DA SILVA, U. E PESTANA, A. (1998) - Sistemas de Informação
Geográfica: Desenvolvimento, Utilização e Evolução. 4º Congresso de Água, APRH, Lisboa, Portugal.
RIBEIRO DE SOUSA, E. (2001) - Sistemas de Drenagem de Águas Residuais e Pluviais.
Departamento de Engenharia Civil, Secção de Hidráulica e dos Recursos Hídricos e Ambientais,
Instituto Superior Técnico, Lisboa, Portugal.
RIBEIRO DE SOUSA, E. e MATOS, J. (2002) - Projecto de Sistemas de Drenagem de Águas
pluviais. Departamento de Engenharia Civil, Secção de Hidráulica e Recursos Hídricos e Ambientais,
Instituto Superior Técnico, Lisboa, Portugal.
RIBEIRO DE SOUSA, E. e MONTEIRO A. (2006) - Órgãos Gerais dos Sistemas de Drenagem.
Departamento de Engenharia Civil, Secção de Hidráulica e dos Recursos Hídricos e Ambientais,
Instituto Superior Técnico, Lisboa, Portugal.
_________________________________________________________________________________
69
SANTO, F. (2009) - Cadastro e Ordenamento do Território, INGENIUM, A Engenharia Portuguesa em
Revista, Lisboa, Portugal.
SIMTEJO (2008) - Sistema Multimunicipal de Saneamento do Tejo e do Trancão. 3º Encontro
“Gestão Integrada da Água e Resíduos, Novos Paradigmas”. Beja, Portugal.
SISAQUA E CENOR (2007) - Plano de Controlo de Caudais Pluviais no Subsistema de Beirolas,
Volume III – Calibração e Validação do Modelo (Tomo I), Lisboa, Portugal.
WATER ENVIRONMENTAL FEDERATION (2004) - GIS Implemetation for Water and Wastewater
Treatment Facilities. Alexandria.
YEN, B.C. (1986) - Advances in Hydroscience. Academy Press, Inc. Londres.
Sites utilizados:
http://www.adp.pt
http://www.simtejo.pt
http://www.epa.gov/ednnrmrl/models/swmm/
_________________________________________________________________________________
70
_____________________________________________________________________________
ANEXOS
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
A1.1
ANEXO 1 – TABELA DAS ENTIDADES DE SISTEMAS DE ÁGUAS RESIDUAIS
NA SOLUÇÃO DE SIG G/INTERAQUA™
Código Nome Designação
103 etrocolector Esgotos: Troço de colector/emissário
104 evala Esgotos: Vala
106 ecamaranormal Esgotos: Câmara normal
107 ecamaracega Esgotos: Câmara cega
108 ecamaravarrer Esgotos: Câmara de corrente de varrer
109 ecamaradesc Esgotos: Câmara com descarregador
110 edesctempestade Esgotos: Descarregador de tempestade
111 ebaciaretenção Esgotos: Bacia de retenção
113 esarjeta Esgotos: Sarjeta/Sumidouro
114 ebocalobo Esgotos: Boca lobo
115 evalmare Esgotos: Válvula de maré
116 etrococonduta Esgotos: Troço de conduta elevatória
117 evalsuspensão Esgotos: Válvula de suspensão
118 evaldescarga Esgotos: Válvula de descarga
119 evalretenção Esgotos: Válvula de retenção
120 eventosa Esgotos: Ventosa
121 erac Esgotos: Reservatório de ar comprimido
122 emedidorcaudal Esgotos: Medidor de caudal
124 emedidornivel Esgotos: Medidor de nível
126 edetectornivel Esgotos: Detector de nível
127 egrelectobomba Esgotos: Grupo electrobomba
128 enoalteracao Esgotos: Nó de alteração
129 epontorejeicao Esgotos: Ponto de rejeição
131 eadicaoreagente Esgotos: Adição de reagentes
132 erecinto Esgotos: Recinto
133 epontonotavel Esgotos: Ponto notável
134 egradagem Esgotos: Gradagem
135 eremareias Esgotos: Remoção de areias
137 eutccarvao Esgotos: Unidade de tratamento de cheiros com carvão activado
138 eutctlavagem Esgotos: Unidade de tratamento de cheiros – torre de lavagem
140 edecantador Esgotos: Decantador
141 etanqueareja Esgotos: Tanque de arejamento
143 eespessalamas Esgotos: Espessador de lamas
144 edigestor Esgotos: Digestor
_____________________________________________________________________________
A1.2
Código Nome Designação
145 egasometro Esgotos: Gasometro
149 etrocotubagemac Esgotos: Tubagem de ar comprimido
150 etanqueshone Esgotos: Tanque de shone
151 eejectorshone Esgotos: Ejector Shone
152 etrococolectormun Esgotos: Troço de colector
153 ecamaradescomp Esgotos: Câmara de descompressão
154 ecamaragrades Esgotos: Câmara de grades
155 ecamaraluz Esgotos: Câmara de luz
156 efossaseptica Esgotos: Fossa Séptica
157 ecaleira Esgotos: Caleira
160 ecaixa Esgotos: Caixa
161 etrococondutamun Esgotos: Troço de conduta municipal
163 egcompressor Esgotos: Grupo compressor
164 eramal Esgotos: Ramal
165 ecamaratransicao Esgotos: Câmara de transição
185 ecircuitoetar Esgotos: Circuito ETAR
_____________________________________________________________________________
A2.1
ANEXO 2 – DESCRIÇÃO DOS ATRIBUTOS DAS ENTIDADES
UDÓMETRO (Rain Gages)
IPID: atributo para identificar o udómetro;
Coordenadas X e Y: atributo para a localização do udómetro nas coordenadas M e P;
Tipo de dados: atributo para caracterizar a intensidade da precipitação (precipitação média
em milímetros/hora ou polegadas/hora durante um intervalo.), o volume (volume de
precipitação que caiu num intervalo em milímetros) ou o volume acumulado (precipitação
acumulada que ocorreu desde o início da última série de valores não nulos, em milímetros);
Intervalo: campo para a identificação do intervalo de tempo dos dados (por exemplo, horários
de 15 minutos, etc.);
Fonte de dados: campo para a identificação da origem dos dados da precipitação (série
temporal ou de arquivo externo).
Não foi utilizado o factor para a queda de neve, devido às condições climáticas na zona do caso
de estudo.
BACIA PLUVIAL (Subcatchments)
IPID: atributo para identificar a bacia pluvial;
Coordenadas X e Y: atributo para a localização do centróide da bacia (Coordenada M e P do
centróide);
Udómetro entrada: atributo para identificar o udómetro que está associado à precipitação de
entrada na bacia;
Área da bacia: atributo que indica a área total da bacia (ha);
Largura da bacia: campo para atribuição da largura característica da bacia (m), obtido a
partir da relação entre a área da bacia e a máxima distância da bacia, distância esta que é
medida entre o ponto mais afastado da descarga e a própria descarga;
Declive da bacia: campo para atribuição do declive da bacia (%);
Percentagem de área impermeável: campo para atribuição da percentagem da área
impermeável (%);
Coeficiente de Manning para a área impermeável: campo para atribuição de um coeficiente
da fórmula da perda de carga da área impermeável, que exprime o efeito da rugosidade do
terreno;
Coeficiente de Manning para a área permeável: campo para atribuição de um coeficiente
da fórmula da perda de carga da área permeável, que exprime o efeito da rugosidade do
terreno;
Altura sobre a área impermeável: campo para atribuição da altura de armazenamento sobre
a área impermeável da bacia (mm);
_____________________________________________________________________________
A2.2
Altura sobre a área permeável: campo para atribuição da altura de armazenamento sobre a
área permeável da bacia (mm);
Percentagem área impermeável zero: campo para atribuição da área impermeável sem
armazenamento;
Tipo de escoamento: campo para a atribuição do percurso do escoamento segundo as
subáreas permeáveis e impermeáveis.
o IMPERV: escoamento da área permeável para a área impermeável;
o PERV: escoamento da área impermeável para a área permeável;
o OUTLET: escoamento de ambas as áreas directamente para a saída.
Percentagem de escoamento: campo para atribuição da percentagem da enchente que
rodeia as sub-bacias.
Modelo de infiltração: campo para escolher entre os três modelos de infiltração (Modelo de
Horton, Modelo de Green e Ampt e Modelo do Soil Conservation Service).
No modelo de Horton:
o Taxa de infiltração máxima: campo para atribuição da taxa de infiltração máxima
(mm/h);
o Taxa de infiltração mínima: campo para atribuição da taxa de infiltração mínima
(mm/h);
o Constante de decaimento: campo para atribuição da constante característica do
solo e do revestimento superficial e que descreve o decréscimo da taxa de infiltração
de f0 para fc (h-1
);
o Tempo de secagem: campo para atribuição do tempo que decorre desde o início da
infiltração, após um longo período com ausência de infiltração (dias);
o Volume máximo: campo para atribuição do máximo volume de infiltração.
CÂMARAS DE VISITA (Junctions)
IPID: atributo para identificar a câmara de visita;
Coordenadas X e Y: atributo para a localização da câmara (Coordenada M e P);
Cota soleira: campo para atribuição da cota de fundo da câmara de visita (m);
Profundidade soleira: campo para atribuição da profundidade de soleira da câmara de visita
(m), isto é, a diferença entre a cota da tampa e a cota de soleira;
Altura inicial: campo de atribuição da altura inicial da água na caixa no início da simulação
(m);
Altura adicional: campo para atribuição da altura adicional de água além da altura máxima
que é permitida antes da inundação no nó (m); este parâmetro pode ser usado para simular
as tampas aparafusadas;
Área superficial: campo para atribuição da área da zona inundada (m2) (no respectivo caso
de estudo não foi utilizado porque se optou pela função allow ponding);
_____________________________________________________________________________
A2.3
Tipo de parâmetro: campo respectivo às afluências; neste campo atribui-se o tipo de
afluência, no caso de estudo foi água;
Valor médio: campo de atribuição do caudal médio medido nesse ponto;
Padrão de tempo: campo para atribuição dos valores da relação entre o caudal nesse ponto
e o caudal médio.
COLECTORES (Conduits)
IPID: atributo para identificar o colector;
Tipo de secção: campo para se escolher a secção transversal do colector entre as diversas
que existem pré-definidas e colocar as suas dimensões (m);
Comprimento do colector: indica o comprimento do colector (m);
Válvula de retenção/maré: atributo para a escolha da existência ou não de um dispositivo
que serve para impedir a inversão do sentido do fluxo no colector;
Coeficiente de Manning: campo de atribuição de um coeficiente da forma de perda de carga
de uma entidade, que exprime o efeito de rugosidade do material, no cálculo da perda de
carga contínua;
Cota montante: campo de atribuição da cota de entrada do colector (m);
Cota jusante: campo de atribuição da cota de saída do colector (m).
DESCARREGADORES (Weirs)
IPID: atributo para identificar a câmara com descarregador;
Coordenadas X e Y: atributo para a localização da câmara (Coordenada M e P);
Válvula de maré: atributo para a escolha da existência ou não de um dispositivo que serve
para impedir a inversão do sentido do fluxo no colector;
Tipo de descarga: campo de atribuição do tipo de descarga (transversal rectangular,
triangular, lateral rectangular ou trapezoidal);
Altura livre: indica a altura livre (m), e é determinado a partir da diferença entre o diâmetro e
altura de descarga;
Cota de soleira: campo para atribuição da cota de fundo da câmara com descarregador (m);
Coeficiente de vazão: campo para a atribuição do coeficiente de vazão sendo este
coeficiente adimensional uma vez que é a razão entre a descarga observada e a descarga
teórica;
Comprimento do murete: campo para atribuição do comprimento do murete do
descarregador (m);
Declive parede lateral: campos para atribuição do declive das paredes laterais, caso não
sejam verticais.
_____________________________________________________________________________
A2.4
POÇO DE BOMBAGEM (Storage units)
IPID: atributo para identificar do poço;
Coordenadas X e Y: atributo para a localização do poço (Coordenada M e P);
Cota soleira: campo para atribuição da cota de soleira do poço (m);
Profundidade soleira: campo para atribuição da profundidade de soleira do poço (m);
Altura inicial: campo de atribuição da altura da água no poço no inicio da simulação (m);
Área superficial: campo para atribuição da área da zona inundada (m2), no respectivo caso
de estudo não foi utilizado porque se optou pela função Allow Ponding;
Tipo de parâmetro: campo respectivo às afluências, onde se atribui o tipo de afluência, que
no caso de estudo foi água;
Valor médio: campo de atribuição do caudal médio medido nesse ponto;
Padrão de tempo: campo para atribuição dos valores da relação entre o caudal nesse ponto
e o caudal médio;
Tipo de poço: forma geométrica do poço de bombagem.
GRUPO ELECTROBOMBA (Pump)
IPID: atributo para identificar a bomba;
Coordenadas X e Y: atributo para a localização da bomba (Coordenada M e P);
Estado inicial: campo para escolher o estado inicial da bomba, em operação ou parada;
Cota de arranque: campo para atribuição do nível da água a partir do qual a bomba entra em
funcionamento (m), normalmente coloca-se zero e é introduzida nas regras de controlo da
bomba;
Cota de paragem: campo para atribuição do nível da água a partir do qual a bomba pára de
funcionar (m), normalmente coloca-se zero e é introduzida nas regras de controlo da bomba;
Nome da curva: campo de atribuição da curva característica dos grupos.
PONTOS DE REJEIÇÃO (Outfalls
IPID: atributo para identificar o ponto de rejeição;
Coordenadas X e Y: atributo para a localização do ponto de rejeição (Coordenada M e P);
Tipo de descarga: campo atribuído ao tipo de descarga, nesta dissertação utilizou-se a
descarga livre;
Tipo de parâmetro: campo respectivo às afluências, onde se atribui o tipo de afluência, nesta
dissertação utilizou-se água;
Valor médio: campo de atribuição do caudal médio medido nesse ponto;
Padrão de tempo: campo para atribuição dos valores da relação entre o caudal nesse ponto
e o caudal médio.
_____________________________________________________________________________
A3.1
ANEXO 3 – QUADRO DE APOIO À OBSERVAÇÃO DOS ATRIBUTOS EM COMUM NAS ENTIDADES
Estação
Udométrica
Bacia
pluvial
Câmara
normal
Ponto de
rejeição
Poço de
bombagem Colectores
Grupo
electrobomba
Câmara com
descarregador
Nome
Coordenada X
Coordenada Y
Afluências
Cota de soleira (m)
Profundidade soleira (m)
Profundidade adicional (m)
Área superficial inundada (m2)
Dispositivo que impede o retorno
do escoamento
Nome do nó inicial do colector
Nome do nó final do colector
Cota do nó inicial do colector (m)
Cota do nó final do colector (m)
Coeficiente de descarga
Forma geométrica
Comprimento (m)
Coeficiente de rugosidade
_____________________________________________________________________________
A3.2
_____________________________________________________________________________
A4.1
ANEXO 4 – RELATÓRIO DAS CARACTERÍSTICAS DAS ENTIDADES
1. RELATÓRIO DAS CARACTERÍSTICAS DAS BACIAS PLUVIAIS
Código universal 1532824 1532941 1532860 1532880 1532882 1532883
Coordenada M -84676,16 -84949,25 -84482,08 -84366,16 -84508,87 -84501,12
Coordenada P 103266,13 102712,23 103322,56 103083,42 102931,60 102853,16
Área da bacia (m2) 46072,16 470865,01 57788,64 86133,53 25607,28 8615,57
Largura da bacia (m) 146,92 506,21 157,73 227,93 115,57 35,29
Declive da bacia (%) 1,00 2,30 0,70 3,00 12,20 15,00
Percentagem área
impermeável zero 60 25 25 0 25 25
Percentagem de área
impermeável 5,00 10,00 10,00 3,00 12,20 90,00
Número de Manning
para a área
impermeável
0,02 0,02 0,02 0,02 0,01 0,02
Número de Manning
para a área
permeável
0,80 0,60 0,80 0,08 0,10 0,80
Altura sobre a área
impermeável (mm) 2,00 0,05 2,00 4,00 0,05 2,00
Altura sobre a área
permeável (mm) 4,00 0,05 4,00 8,00 0,05 4,00
Tipo de escoamento OUTLET OUTLET OUTLET OUTLET OUTLET OUTLET
Percentagem de
escoamento 100 100 100 100 100 100
_____________________________________________________________________________
A4.2
2. RELATÓRIO DAS CARACTERÍSTICAS DAS CÂMARAS DE VISITA
Código
universal
Coordenada
M
Coordenada
P
Cota de
soleira
(m)
Profundidade
à soleira
(m)
Tipo de
parâmetro
Valor
médio
1532820 -84379,00 -102891,00 3,13 3,31 - -
1532681 -84640,28 -103468,00 1,00 4,00 - -
1532763 -84401,00 -103081,00 0,55 2,25 - -
1532742 -84386,00 -102922,00 2,09 3,83 - -
1532760 -84434,28 -103069,73 0,75 3,25 - -
1532730 -84450,00 -103277,00 -0,40 4,75 - -
1532728 -84450,00 -103221,00 0,20 3,80 - -
1532726 -84493,44 -103175,99 0,40 3,60 - -
1532723 -84512,00 -103201,85 1,29 2,14 - -
1532720 -84566,07 -103159,48 3,50 3,40 - -
411 -84457,47 -103113,83 -0,59 5,40 - -
116150 -84413,39 -103009,18 0,93 4,40 - -
106410 -84411,81 -103034,41 -1,52 6,56 - -
415 -84417,73 -103037,03 -1,27 6,27 - -
413 -84428,22 -103039,10 -1,02 5,95 - -
412 -84439,18 -103068,26 -0,84 5,61 - -
410 -84481,23 -103160,77 -0,27 4,41 - -
409 -84528,75 -103190,73 0,88 2,80 - -
408 -84532,09 -103190,91 0,97 2,80 - -
407 -84556,51 -103170,18 1,35 3,40 - -
405 -84512,19 -103208,75 0,66 2,85 - -
404 -84542,72 -103259,89 1,42 2,56 - -
403 -84551,67 -103318,47 1,97 3,72 - -
402 -84565,82 -103385,03 2,68 3,32 - -
401 -84555,33 -103350,04 2,29 3,46 - -
_____________________________________________________________________________
A4.3
Código
universal
Coordenada
M
Coordenada
P
Cota de
soleira
(m)
Profundidade
à soleira
(m)
Tipo de
parâmetro
Valor
médio
425 -84386,10 -102891,50 3,67 2,76 - -
103330 -84420,05 -103028,17 1,35 3,73 - -
443 -84347,98 -102744,38 5,67 1,17 - -
424 -84394,93 -102925,22 3,41 2,83 - -
423 -84407,04 -102966,72 3,25 2,49 - -
421 -84428,38 -103030,50 2,50 2,44 - -
422 -84420,45 -103007,19 2,89 2,35 - -
406 -84511,23 -103203,01 -0,02 3,58 Afluências 2
416 -84412,55 -103036,66 -1,09 6,10 Afluências 1,2
_____________________________________________________________________________
A4.4
3. RELATÓRIO DAS CARACTERÍSTICAS DOS TROÇOS DE COLECTOR
Código
universal
Tipo de
secção
Diâmetro/
/Dimensão
maior
(mm)
Comprimento
(m)
Válvula de
retenção/maré
Coeficiente
de Manning
(s/ m1/3
)
Cota de
montante
(m)
Cota de
jusante
(m)
1532823 Ovóide 1350 31,78 Não 0,01 6,44 5,92
1532821 Ovóide 1350 10,74 Não 0,01 0,00 0,00
1532682 Ovóide 1100 312,21 Não 0,01 1,00 0,00
1532765 Circular 800 148,33 Não 0,01 0,00 0,00
1532764 Circular 800 35,14 Não 0,01 0,00 0,00
1532761 Circular 800 43,93 Não 0,01 0,00 0,00
1532743 Ovóide 1350 91,38 Não 0,01 0,00 0,00
1532740 Ovóide 1350 13,27 Não 0,01 6,55 5,92
1532732 Ovóide 1250 147,17 Não 0,01 0,00 0,00
1532731 Ovóide 1250 56,00 Não 0,01 4,00 4,35
1532729 Ovóide 1250 62,55 Não 0,01 4,00 4,00
1532727 Ovóide 1250 31,83 Não 0,01 0,00 0,00
1532725 Ovóide 1250 55,51 Não 0,01 0,00 0,00
1532722 Circular 450 13,27 Não 0,01 0,00 0,00
1532700 Ovóide 1100 110,88 Não 0,01 0,00 0,00
103274 Circular 500 2,37 Não 0,01 5,01 -1,07
116170 Ovóide 1350 20,12 Não 0,01 5,33 5,08
103276 Circular 450 10,64 Sim 0,01 5,04 5,08
103275 Circular 600 0,86 Não 0,01 -1,72 0,00
_____________________________________________________________________________
A4.5
4. RELATÓRIO DAS CARACTERÍSTICAS DOS TROÇOS DE EMISSÁRIO
Código
universal
Tipo de
secção
Diâmetro /
/ Dimensão
maior (mm)
Comprimento
(m)
Coeficiente
de
Manning
(s/ m1/3
)
Cota de
montante
(m)
Cota de
jusante
(m)
101291 Circular 400 6,70 0,013 4,33 4,19
101288 Circular 450 31,15 0,013 -0,89 -1,01
101287 Circular 450 49,11 0,013 -0,60 -0,83
101283 Circular 450 3,34 0,013 0,93 0,85
101294 Circular 400 24,62 0,013 2,87 2,55
101282 Circular 450 32,04 0,013 1,35 0,98
101351 Circular 400 5,98 0,013 4,47 4,10
101330 Circular 400 34,85 0,013 3,60 3,40
101295 Circular 400 16,99 0,013 2,43 2,35
101293 Circular 400 42,63 0,013 3,23 2,90
101292 Circular 400 43,23 0,013 3,38 3,23
101290 Circular 450 5,19 0,013 -1,28 -1,09
101289 Circular 450 10,69 0,013 -1,03 -1,13
101286 Circular 450 52,60 0,013 -0,28 -0,57
101285 Circular 450 51,82 0,013 0,03 -0,26
101284 Circular 450 21,39 0,013 0,83 0,49
101281 Circular 400 1,46 0,013 2,74 2,65
101280 Circular 450 5,82 0,013 0,61 0,46
101279 Circular 400 59,56 0,013 1,41 0,84
101278 Circular 400 59,26 0,013 1,96 1,42
101277 Circular 400 31,78 0,013 2,28 1,99
101275 Circular 400 36,53 0,013 2,67 2,30
101273 Circular 400 1,31 0,013 2,95 2,94
_____________________________________________________________________________
A4.6
5. RELATÓRIO DAS CARACTERÍSTICAS DAS CÂMARAS COM DESCARREGADOR
Código
universal
Coordenada
M
Coordenada
P
Tipo de
descarga
Profundidade
à soleira
(m)
Altura de
descarga
(m)
Coeficiente
de descarga
Comprimento
mureto
(m)
101271 -84399,12 -102919,99 Lateral
Rectangular 2,21 0,08 1,38 0,73
101267 -84567,09 -103384,71 Lateral
Rectangular 3,06 0,14 10,00 2,20
101268 -84556,53 -103168,71 Lateral
Rectangular 2,06 0,10 10,00 2,20
101272 -84388,52 -102886,03 Lateral
Rectangular 2,09 0,08 1,38 1,16
6. RELATÓRIO DAS CARACTERÍSTICAS DAS POÇO DE BOMBAGEM
Código
universal
Coordenada
M
Coordenada
P
Cota
soleira
Profundidade
à soleira
(m)
Tipo de poço Tipo de
parâmetro
Valor
médio
1532840 -84411,54 -103033,59 -4,41 8,40 TABULAR - 0
7. RELATÓRIO DAS CARACTERÍSTICAS DO PONTO DE REJEIÇÃO
Código
universal
Coordenada
M
Coordenada
P
Cota de
soleira
Tipo de
ponto de
descarga
Com
válvula a
montante
Tipo de
parâmetro
Valor
médio
1532207 -84317,00 -103340,00 0 FREE Não - -
1532205 -84355,64 -103596,28 0 FREE Não - -
