GIS & modelagem hidráulica – Aspectos sobre sua

Nagib Abrahão

Engenheiro civil formado pela Escola de Engenharia da Universidade Presbiteriana Mackenzie. Possui pós-graduação em Geoprocessamento pela Universidade Federal de São Carlos e MBA em Gestão Executiva de Saneamento pela FIA – Fundação Instituto de Administração. É gestor de Geoinformação da Diretoria Metropolitana da Sabesp.

GIS & modelagem hidráulica – Aspectos sobre sua integração

O GIS (Geographic Information System, ou SIG - Sistema de Informações Geográficas) é sempre lembrado nas empresas de saneamento quando se fala em gestão de ativos, cadastro técnico, etc. Mas uma de suas mais valiosas contribuições para o negócio se dá na sua integração com aplicações de modelagem hidráulica, especialmente no abastecimento de água .Veremos neste artigo aspectos dessa integração

Modelagem hidráulica Conceito

Uma rede de abastecimento de água é um circuito fechado que conduz água potável por meio de condutos forçados. Em condutos forçados, as principais variáveis físicas de interesse de estudo são a pressão e a vazão. A Modelagem Hidráulica (MH) nada mais é do que a aplicação das equações da Hidráulica na malha de condutos, permitindo a determinação teórica das variáveis pressão e vazão em cada um de seus trechos e nós.

Sua aplicação primeira se dá no projeto das redes, seja de sistemas novos ou de ampliações de sistemas existentes. A MH, por meio de simulações permite escolher o design mais inteligente para o sistema (sem levar em conta outras restrições construtivas) garantindo seu funcionamento adequado dentro dos requisitos de pressões e vazões mínimas e máximas, com menor custo energético.

Mas é na operação das redes que a MH melhor se aplica. Uma boa modelagem, feita com critérios e dados de qualidade e calibrada com informações de campo, é subsídio fundamental para conhecer as condições de operação de uma rede de água – seus pontos de maior pressão (elegendo áreas para instalação de Válvulas Redutoras de Pressão, ou para correções na setorização), seus pontos críticos de abastecimento, a dosagem de cloro residual ao longo das redes, entre outras informações.

Com a evolução do poder computacional, o cálculo passou ser feito por softwares, entre os quais se destaca o pioneiro EPANET (vide Figura 1), desenvolvido pela U.S. Environmental Protection Agency, criado em 1993, além do WaterCAD/WaterGems , da Bentley Systems©, o InfoWater, da Innovyze© e o GISWATER, esse último uma interessante iniciativa em software livre , responsável pela integração de três outros softwares livres: o QGIS, o EPANET e o PostgreSQL (vide Figura 2).

A crescente utilização de sensores em campo, para medir pressões e vazões principalmente, muito favoreceu a utilização dos softwares de MH, pois eles conseguem transformar os dados enviados do campo em informação, inserindo-os no contexto da rede, melhorando a calibração do modelo e a assertividade das análises.

Figura 1 - Tela do EPANET

Figura 2 - Tela do GISWATER

Uso do GIS em MH

O maior inconveniente do EPANET e da maioria dos softwares de MH é a ausência de uma interface funcionalmente adequada de desenho das redes, o que faz com que se dispenda muitíssimo tempo na criação da malha, pois ela deve ser desenhada trecho a trecho, com a inserção manual de seus atributos, como comprimento e diâmetro.

O GIS veio proporcionar aos softwares de MH justamente o que eles mais precisavam: o desenho das redes, com sua topologia, dimensões, atributos (material, diâmetro, idade) e cotas. O usuário não precisa mais dispender tempo na construção do modelo, basta importá-lo do GIS. Também se ganhou em versatilidade: simulações, estudos de alternativas; avaliação de contingências passaram a poder ser realizadas rapidamente, uma vez dispondo de um modelo confiável. Isso permitiu um aumento extraordinário na utilização dessa tecnologia, de modo que hoje é impensável dissociá-las.

Originalmente, os universos do GIS e da Modelagem eram separados, por uma diferença de conceito. Enquanto os primeiros estavam mais preocupados com as características físicas da rede, seus detalhes e sua localização (“onde” e “o que”), os segundos estavam menos preocupados com esses detalhes e muito mais interessados em estudar a conectividade da rede e suas condições de fluxo (“como” e “porque”). As limitações dos softwares da época (anos 1990), tanto de um lado como de outro, também não favoreciam muito essa integração, de modo que normalmente as empresas tinham dois modelos de rede, um para cada finalidade (ARMSTRONG, 2012).

Porém, rapidamente se percebeu o inconveniente na manutenção de dois modelos, pois há uma forte interação entre eles. O modelo GIS necessita das atualizações feitas no modelo hidráulico – novas válvulas, peças, bombas, conexões, interligações, etc. – e o modelo hidráulico necessita do GIS – novas redes assentadas, novos ativos, redes recuperadas, etc. Se os modelos estão separados, cada atualização tem que ser retrabalhada em ambos manualmente, com grande risco de falhas, prejudicando a qualidade da informação de ambos e consequentemente a efetividade dos processos que suportam.

Isso ressalta a importância de que as áreas de Gestão de Ativos e de Operação estejam integradas em uma empresa de saneamento. E o grande drive desta integração pode ser a integração GIS-Modelagem. A Figura 3 abaixo mostra esse ciclo, que roda como um processo de PDCL (Plan-Do-Check-Learn).

Figura 3 - Ciclo GIS/Modelagem (ARMSTRONG 2012)

Formas de modelagem

Antes de se iniciar a construção do modelo hidráulico, a empresa deve considerar qual é o nível de detalhe necessário para executar as operações que requer (ARMSTRONG 2012). São os mais comuns:

a) APV (All-pipes valve)

O modelo APV (todas os tubos e válvulas) preserva o nível de detalhe do GIS e mantém o relacionamento um-para-um entre seus elementos e do modelo hidráulico. Não há nenhuma redução ou esqueletonização das redes, o que o torna o mais fácil para se integrar ao GIS, pois todos os seus dados encontram correspondência no modelo, provendo assim sua representação o mais exata possível.

b) AP (All pipes)

Nesse modelo a extensão total das redes do GIS é mantida, mas são eliminadas válvulas e demais peças pouco relevantes hidrau-

licamente, além de redes de mesmo material e diâmetro serem fundidas em um único segmento.

c) Esqueletonizado (Skeletonized)

É uma simplificação da rede de distribuição de água, eliminando redes abaixo de determinado diâmetro (300mm, por exemplo) e outros trechos de menor importância e uniformizando o diâmetro em alguns trechos. Pode, eventualmente, incluir diâmetros menores de redes mais importantes hidraulicamente.

d) Esqueletonizado reduzido (Skeletonized-reduced)

É uma simplificação ainda maior da esqueletonização, dessa vez unindo tubos de mesmo material e diâmetro, eliminando os nós entre eles, gerando um modelo “um-para-muitos”.

Resumo dos Tipos de Modelo (ARMSTRONG, 2012)

Modelos 1:1

Modelo GIS APV Esqueletonizado

Desenvolvimento:

Manutenção: Processamento:

Engine do modelo: Espaço em disco: Qualidade das análises propiciada: Real, 1:1 Fácil, direta do GIS Lento

Grande

Grande Ótima

Quadro 1 Modelos 1:1 1:1 com esqueltoniz. Fácil, direta do GIS Rápido Pequena Variável

Boa

Modelo GIS

Desenvolvimento:

Manutenção:

Processamento:

Engine do modelo: Espaço em disco: Qualidade das análises propiciada:

Modelos 1:muitos

AP

Requer reduções e criação de relacionamentos com GIS Difícil, requer rotinas de “de-para” em relação ao GIS

Rápido Pequeno Pequeno Boa

Esquelet.Reduzido

Requer reduções e criação de relacionamentos com GIS Difícil, requer rotinas de “de-para” em relação ao GIS

Muito rápido Pequeno Muito pequeno Limitada

Uma vez escolhida a forma de modelagem, deve-se ainda assim procurar determinar quais elementos do GIS devem ser utilizados na modelagem. Deve-se procurar utilizar o modelo mais enxuto possível, procurando migrar somente elementos que sejam imprescindíveis ao modelo. Tubulações abandonadas, hidrantes, pequenos prolongamentos, detalhes de instalações, válvulas de menor importância, entre outros, são elementos candidatos a não serem utilizados.

Tome-se como o exemplo o trabalho de simplificação descrito em OLIVEIRA, 2011, para o Setor de Abastecimento Sacomã, em São Paulo onde, segundo o autor: “optou-se por limitar o número de trechos originais do setor, avaliando e descartando trechos de pequena extensão que não representassem posição comprometedora ao modelo”. Dessa forma foi possível reduzir o número de trechos de 1512 para apenas 452, menos de 30% do total (vide Figura 4).

Figura 4 - Exemplo de setor antes e depois da simplificação dos trechos (OLIVEIRA, 2011)

Requisitos de uma integração GIS x modelagem hidráulica

A modelagem hidráulica requer basicamente três classes de dados: • Dados de infraestrutura física; • Dados de demanda; • Dados de operação; • Topologia (conectividade de redes);

a) Dados de infraestrutura física

É o desenho das redes e seus componentes: válvulas, reservatórios, nós, bombas, etc. ou o cadastro técnico das redes propriamente dito, com todas as suas regras topológicas de conectividade física e lógica. Nessa etapa, o cadastro já deverá estar reduzido em termos de representação às opções de modelo elencadas no item 11.2.

Dados como extensão, e a tríade “diâmetro/material/data de instalação” são obrigatórios, essa última por conta da necessidade da estimativa do coeficiente de rugosidade “C”, fundamental para o cálculo. O modelo deve também estar consistente topologicamente, com todas as peças conectadas às redes. A acurácia e a qualidade do modelo hidráulico serão diretamente proporcionais às do modelo representado no GIS.

Qualquer que seja o modelo escolhido é importante que se estabeleça a relação entre os ID´s dos objetos do GIS e do modelo hidráulico. Um ID do modelo hidráulico pode se referir a um ou mais objetos do GIS.

Essa distinção, porém, não desobriga a necessidade de integração entre o ERP e o GIS, apenas define qual será o sistema-mestre de cada informação, garantindo que ela seja armazenada no sistema mais adequado e que ela seja disponibilizada de forma confiável e consistente aos outros sistemas que dela necessitarem fazer uso.

Uma boa forma de instrumentalizar a segregação entre os dados do GIS e do MH é criando uma tabela de integração com o ID Operacional e com as colunas “GIS” e “Modelo”, com preenchimento do tipo “Sim” e “Não”. Por default, todos os registros terão o campo “GIS” preenchido com “Sim” no campo “Modelo”, deve-se preenche com “Sim” somente aqueles que serão utilizados no modelo.

Outro dado muito importante que o GIS pode fornecer sobre a infraestrutura física é o dado de elevação, pois são muito importantes no cálculo das pressões piezométricas (uma vez que geralmente, mas nem sempre, a profundidade da rede se mantém constante ao longo da via). Sua obtenção deve ser precisa, para que as pressões calculadas também o sejam e não difiram muito das que serão encontradas em campo, favorecendo o processo de calibração.

Os recursos de análise 3D do GIS, aliados a bons dados de altimetria (curvas de nível e modelos digitais de terreno – MDT) permitem calcular a cota de cada nó automaticamente – lembrando que a precisão será a mesma do dado altimétrico de origem.

Para uso em MH, o mínimo que se recomenda é que o modelo de altimetria tenha (ou permita obtenção) curvas de nível com precisão de 1 metro de equidistância. Curvas com 5 metros de equidistância fornecerão dados altimétricos com precisão em torno de ± 2 a 3 metros, o que pode não atender os requisitos de um modelo para sistemas de distribuição mais complexos. Os pontos críticos de abastecimento (aqueles próximos de pressões piezométricas na ordem do mínimo estabelecido pelo regulador)

podem resultar bastante imprecisos nesse caso. Obviamente que a qualidade dos dados fornecidos pelo MH vai depender de várias outras variáveis, mas a elevação é das variáveis mais significativas.

b) Dados de demanda

São os dados de consumo de água, que servirão de referência para o cálculo das vazões de demanda. Podem ser obtidos de três formas:

i) Por integração aos sistemas de Billing

A maior vantagem dessa forma é que se baseia em dados reais, sempre mais precisos que estimativas. Nela, cada ligação deverá estar especializada na base GIS. Se isso não estiver disponível, terá que ser rodada uma rotina de geocode para georreferenciar a base de endereços do cadastro comercial da empresa. Esses endereços também deverão estar identificados por meio de um identificador único, que deverá ser o mesmo constante no sistema de Billing da empresa. Através de uma integração, o software de MH lerá uma tabela do Billing onde constarão os consumos mensais (o chamado “volume micromedido”) das ligações. O normal é que esta tabela tenha o registro de ao menos 12 (doze) meses, para que se possa desconsiderar o efeito de sazonalidade . Pode-se utilizar o valor médio dos últimos 12 meses ou ainda o do último mês medido, dependendo da abrangência da análise.

A associação entre os consumos e as redes é feita diretamente por topologia (sendo as ligações unidas à rede por elementos conectores) e as redes por sua vez são ligadas aos nós (neste caso, metade do consumo atribuído a um segmento de rede vai para cada um de seus nós). Outra maneira é associar diretamente os consumos aos nós, criando Polígonos de Voronoy, cujos centroides são os nós, e somando todos os consumos nele contidos.

ii) Por estimativa

Na impossibilidade de se dispor de uma integração com o Billing, pode-se trabalhar com dados estimados, como consumo médio por km² ou consumo médio por ligação.

O consumo médio por km² é extraído dividindo-se o volume micromedido de uma região pela área. É fortemente impactado pela taxa de ocupação da área e pela sua densidade populacional. Em áreas não-exclusivamente residenciais, também devem ser considerados consumos comerciais e industriais, bem como grandes consumidores que devem ser desconsiderados da média e locados pontualmente em seus nós mais próximos. Multiplica-se a taxa obtida pela área de cada polígono de Voronoy e obtém-se o consumo em cada nó. Essa técnica é mais indicada para áreas maiores, onde os erros são mais diluídos.

O consumo médio por ligação (ou economia) é o valor normalmente adotado para projetos de redes de distribuição de água na região. No Brasil, os valores normalmente variam entre 100 e 200 litros/habitante x dia. Na Região Metropolitana de São Paulo, a média mensal era de 14 m³/economia residencial em 2017 (o que representa 116 litros/habitante x dia, considerando 4 pessoas em uma economia). Os dados populacionais podem ser extraídos na base do Censo do IBGE.

iii) Por dados de medição de vazão

Essa medição é feita por medidores de vazão localizados nas redes e que fornecem essas informações ao SCADA ou sistema de controle operacional, tanto em tempo real quanto consolidados em um historiador.

c) Dados de operação

São os dados sobre as condições de operação dos ativos – estado normal de operação das válvulas, nível de operação dos reservatórios, condição de rugosidade das tubulações, entre outras – é o chamado cadastro operacional, que complementa o cadastro técnico.

d) Topologia (conectividade) de redes

Segundo ARMSTRONG (2012), historicamente uma base GIS e um modelo hidráulico são mantidos separados (ainda que integrados), porque tem requisitos diferentes: enquanto o GIS está mais preocupado com a representação, a precisão da localização dos ativos e a completeza de atributos e menos preocupado com a topologia da rede e sua conectividade, no modelo hidráulico ocorre o inverso – a conectividade e a topologia da rede são as maiores preocupações, na verdade requisitos fundamentais, sem os quais os softwares de modelagem hidráulica não conseguem operar.

Assim, é fundamental que sejam rodadas rotinas de QA/QC (Quality Assurance / Quality Control), complementadas por rotinas de consistência de topologia de redes, no modelo de redes do GIS (ou, na impossibilidade, no próprio modelo para a modelagem hidráulica), de modo a garantir o pleno atendimento às regras de topologia e conectividade.

Basicamente devem ser suprimidos ou checados: • Nos nós: nós órfãos ou duplicados;

• Nas redes: duplicidades, sobreposições (overlap), auto-interseções (self-intersect) e variações abruptas de diâmetro.

e) Confiabilidade dos modelos

Um modelo jamais será melhor do que as variáveis que o compõem. Segundo WALSKY, 2001 (apud OLIVEIRA, 2011), “por mais cuidadoso que seja o levantamento de dados e o seu lançamento no simulador, o modelo jamais poderá representar completamente um sistema real em razão de tratar da reprodução do resultado das principais equações matemáticas utilizando dados recebidos que podem ser tratados ou não, de onde a precisão dependerá do número de variáveis estudada”.

Como vimos, um trabalho de modelagem hidráulica utiliza informações de diversas fontes, com precisões e graus de confiabilidade diferentes. Os consumos micromedidos possuem excelente confiabilidade, uma vez que são medidos e checados in loco, e também boa precisão, na casa do m³. Já a infraestrutura vai depender da qualidade do dado cadastral e de sua completude (idade e estado da rede, rugosidade, etc.). Sendo o modelo um produto de várias variáveis, um erro grosseiro em uma única delas pode ofender de modo significativo a qualidade do modelo como um todo. Um simples erro de ± 3 metros em uma cota de nível de reservatório (erro esse que é compatível com a precisão de MDT de boa qualidade, por exemplo) pode criar um modelo que leve a induzir decisões técnicas erradas, causando prejuízos.

Assim, considerando que o universo do GIS é de representação e que os modelos hidráulicos são matemáticos, deve-se tomar cuidado no uso de suas informações pois uma informação (posicional, ou de altimetria, ou de topologia) que atenda perfeitamente aos seus requisitos de utilização no GIS pode não estar qualificada para uso em MH.

Nesse caso, o que se recomenda não é o desprezo das informações do GIS, mas o investimento na melhoria de sua qualidade, com o auxílio de informações colhidas em campo, já que uma das etapas da MH é a calibração, onde os dados obtidos no modelo são checados em campo. A mesma equipe responsável pela calibração pode auxiliar na checagem de dados cadastrais mais críticos ou de qualidade inapropriada.

Considerações

Como vimos, o GIS é um importante insumo para a atividade de modelagem hidráulica, independentemente do modelo e do nível de integração entre as bases. Implantar um programa de modelagem hidráulica em uma companhia sem que ela possua um sistema de informações geográficas é uma tarefa duplamente difícil, pois além dos desafios intrínsecos da modelagem, haverá a necessidade de se construir a base de redes que ela necessitará, que representa boa parte do esforço da construção de um GIS.

A integração com a modelagem hidráulica é um dos usos mais “nobres” de um GIS em saneamento, à medida que os dados por ele fornecidos permitem viabilizar o uso da MH em uma companhia, o que seria muitíssimo custoso sem eles. Além disso, é uma integração que possui uma das maiores possibilidades de retorno de investimento, pois a MH permite obter significativas otimizações nos sistemas de saneamento, gerando economias de CAPEX (evitando ativos desnecessários) e OPEX (diminuindo extensões de rede a manter, energia necessária para bombeamento, etc.).

Bibliografia:

ARMSTRONG, Lori, Hydraulic Modeling and GIS, 1 ª ed., Redlands, ESRI Press, 2012, 75 pgs. OLIVEIRA, Hilton Alexandre, Uso de Simuladores Hidráulicos e Aplicativos de Geoprocessamento para Diagnóstico Operacional de Sistemas de Distribuição de Água – Estudo de Caso: Setor Sacomã Município de São Paulo. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2011, 153 pgs

Este artigo é resumo de um capítulo do livro “Aplicações GIS Para Empresas de Saneamento Básico”, recém lançado pelo autor. A obra contou com o patrocínio da AESABESP.