Hidrologia



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IT 179 – Saneamento Básico Agosto/2007




4.5. Captação
4.5.1. Fontes de água para abastecimento

O homem possui dois tipos de fontes para seu abastecimento que são as águas superficiais (rios, lagos, canais, etc.) e subterrâneas (lençóis subterrâneos). Efetivamente essas fontes não estão sempre separadas. Em seu deslocamento pela crosta terrestre a água que em determinado local é superficial pode ser subterrânea em uma próxima etapa e até voltar a ser superficial posteriormente.

As águas de superfície são as de mais fácil captação e por isso havendo, pois, uma tendência a que sejam mais utilizadas no consumo humano. No entanto temos que menos de 5% da água doce existente no globo terrestre encontram-se disponíveis superficialmente, ficando o restante armazenado em reservas subterrâneas.

Logicamente que nem toda água armazenada no subsolo pode ser retirada em condições economicamente viáveis, principalmente a localizada em profundidades excessivas e confinada entre formações rochosas.

Quanto a sua dinâmica de deslocamento as águas superficiais são frequentemente renovadas em sua massa enquanto que as subterrâneas podem ter séculos de acumulação em seu aqüífero, pois sua renovação é muito mais lenta pelas dificuldades óbvias, principalmente nas camadas mais profundas.

4.5.2. Tipos de mananciais

A captação tem por finalidade criar condições para que a água seja retirada do manancial abastecedor em quantidade capaz de atender o consumo e em qualidade tal que dispense tratamentos ou os reduza ao mínimo possível. É, portanto, a unidade de extremidade de montante do sistema.

Chama-se de manancial abastecedor a fonte de onde se retira a água com condições sanitárias adequadas e vazão suficiente para atender a demanda. No caso da existência de mais de um manancial, a escolha é feita considerando-se não só a quantidade e a qualidade mas, também, o aspecto econômico, pois nem sempre o que custa inicialmente menos é o que convém, já que o custo maior pode implicar em custo de operação e manutenção menor.

Na escolha de manancial, também deve-se levar em consideração o consumo atual provável, bem como a previsão de crescimento da comunidade e a capacidade ou não de o manancial satisfazer a este consumo. Todo e qualquer sistema é projetado para servir, por certo espaço de tempo, denominado período de projeto. Estes reservatórios podem dos seguintes tipos: superficiais (rios e lagos), subterrâneos (fontes naturais, galerias filtrantes, poços) e águas pluviais (superfícies preparadas). Embora, como citado anteriormente, os mananciais de superfície pareçam de mais fácil utilização, as águas subterrâneas são aproveitadas desde a antiguidade. Egípcios e chineses já eram peritos na escavação do solo com a finalidade exclusiva de obterem água, a mais de 2000 anos antes de Cristo. A própria Bíblia Sagrada do Cristianismo revela fatos como o bíblico poço de José, no Egito, com cerca de 90 metros de profundidade cavado na rocha, e o gesto de Moisés criando uma fonte na rocha.



4.5.3. Águas superficiais

Devido à água ser essencial para subsistência humana (nosso organismo necessita ser reabastecido com cerca de 2,5 litros desse líquido por dia) normalmente temos as comunidades urbanas formadas às margens de rios ou desembocaduras destes. Quando estudamos dados geográficos ou históricos das grandes cidades percebemos sua associação com um ou mais rios, por exemplo, Londres-Tâmisa, Paris-Sena, Roma-Pó, Lisboa-Tejo, Nova Iorque-Hudson, Buenos Aires-Prata, São Paulo-Tietê, Recife-Capibaribe/Beberibe, Manaus-Negro, Belém-Amazonas, Teresina-Parnaíba, Natal-Potengi, etc.

Ruínas de comunidades de mais de 5000 anos, escavadas na Índia, revelaram a existência de sistemas de abastecimento de água e de drenagem construídos com alvenaria de pedras trabalhadas, que incluíam inclusive piscinas para banhos coletivos e práticas de natação. Os egípcios, também por volta de 3000 anos antes de Cristo, já construíam barragens de pedras com até mais de dez metros de altura para armazenamento de água potável para abastecimento doméstico e irrigação. Também historicamente é registrado que o rei Salomão, biblicamente famoso, promoveu de forma intensa a construção de aquedutos. Agricultores árabes aproveitavam as águas armazenadas em crateras de vulcões extintos como reservatórios para irrigação.

4.5.3.1. Condições para captação

4.5.3.1.1. Condições a serem analisadas

As águas superficiais empregadas em sistemas de abastecimento geralmente são originárias de um curso de água natural. Opções mais raras seriam captações em lagos naturais ou no mar com dessalinização posterior. As condições de escoamento, a variação do nível d’água, a estabilidade do local de captação, etc, é que vão implicar em que sejam efetuadas obras preliminares a sua captação e a dimensão destas obras. Basicamente as condições a serem analisadas são:



  • quantidade de água;

  • qualidade da água;

  • garantia de funcionamento;

  • economia das instalações; e

  • localização.

4.5.3.1.2. Quantidade de água

São três as situações que podemos nos deparar quando vamos analisar a quantidade de água disponível no possível manancial de abastecimento:



  • a vazão é suficiente na estiagem;

  • é insuficiente na estiagem, mas suficiente na média; e

  • existe vazão, mas inferior ao consumo previsto.

A primeira situação é a ideal, pois, havendo vazão suficiente continuamente, o problema seguinte é criar a forma mais conveniente de captação direta da correnteza. Esta é a forma mais comum onde os rios são perenes (ou perenizados artificialmente).

A segunda situação significa que durante determinado período do ano não vamos encontrar vazão suficiente para cobertura do consumo previsto. Como na média a vazão é suficiente, então durante o período de cheias haverá um excesso de vazão que se armazenado adequadamente poderá suprir o déficit na estiagem. Este armazenamento normalmente é conseguido por meio das barragens de acumulação que são reservatórios construídos para acumularem um volume tal que durante a estiagem compensem as demandas com o volume armazenado em sua bacia hidráulica. Esta é a forma mais frequente para sistemas com vazões de consumo para comunidades superiores a 5000 habitantes, no interior do Nordeste Brasileiro, onde é comum o esvaziamento completo dos rios nos períodos de seca.

A terceira situação é a mais delicada quanto ao aproveitamento do manancial. Como não temos vazão suficiente, a solução mais simplista é procurarmos outro manancial para a captação. Se regionalmente não podemos contar com outro manancial que supra a demanda total, então poderemos ser obrigados a utilizarmos mananciais complementares, ou seja, a vazão a ser fornecida pelo primeiro não é suficiente, mas reunida com a captada em um manancial complementar (ou em mais de um) viabiliza-se o abastecimento, dentro das condições regionais. É a situação mais comum no abastecimento dos grandes centros urbanos.

4.5.3.1.3. Qualidade da água

Na captação de águas superficiais parte-se do princípio sanitário que é uma água sempre suspeita, pois está naturalmente sujeita a possíveis processos de poluição e contaminação. É básico, sob o ponto de vista operacional do sistema, captar águas de melhor qualidade possível, localizando adequadamente a tomada e efetivando-se medidas de proteção sanitária desta tomada, como por exemplo, no caso de tomada em rios, instalar a captação à montante de descargas poluidoras e da comunidade a abastecer.

Especificamente, as tomadas em reservatórios de acumulação não devem ser tão superficiais nem também tão profundas, para que não ocorram problemas de natureza física, química ou biológica. Superficialmente ações físicas danosas podem ter origem através de ventos, correntezas (principalmente durante os períodos de enchentes com extravasão do reservatório) e impactos de corpos flutuantes. Nas partes mais profundas sempre teremos maior quantidade de sedimentos em suspensão, dificultando ou encarecendo a remoção de turbidez nos processos de tratamento.

Agentes químicos poderão está presentes a qualquer profundidade mas há uma tendência das águas mais próximas da superfície terem maiores teores de gases dissolvidos (CO2 , por exemplo), de dureza e de ferro e manganês e seus compostos.

Biologicamente, nas camadas superiores da massa de água, temos maior proliferação de algas. Essa ocorrência dá gosto ruim e odor desagradável a estas águas, dificultando o tratamento, principalmente em regiões de clima quente e ensolarado. A profundidade desta lâmina, a partir da superfície livre, dependerá da espessura da zona fótica, que por sua vez vai depender da transparência da água armazenada, visto que o desenvolvimento algológico depende da presença de luz no ambiente aquático, isto é, a espessura da camada vai depender de até onde a luz solar irá penetrar na água. Enquanto isso no fundo dos lagos gera-se uma massa biológica, chamada de plâncton, que também confere características impróprias para utilização da água ali acumulada.

4.5.3.1.4. Garantia de funcionamento

Para que não hajam interrupções imprevistas no sistema decorrentes de problemas na captação, devemos identificar com precisão, antes da elaboração do projeto da captação, as posições do nível mínimo para que a entrada de sucção permaneça sempre afogada e do nível máximo para que não haja inundações danosas às instalações de captação. A determinação da velocidade de deslocamento da água no manancial também é de suma importância para dimensionamento das estruturas de captação que estarão em contato com a correnteza e ondas e sujeitas a impactos com corpos flutuantes.

Além da preocupação com a estabilidade das estruturas, proteção contra correntezas, inundações, desmoronamentos, etc., devemos tomar medidas que não permitam obstruções com a entrada indevida de corpos sólidos, como peixes, por exemplo. Esta proteção é conseguida com emprego de grades, telas ou crivos, conforme for o caso, antecedendo a entrada da água na canalização (Figura 15).

Figura 15 - Exemplo de captação com grade e crivo.



4.5.3.1.5. Economia nas instalações

Os princípios básicos da engenharia são a simplicidade, a técnica e a economia. A luz destes princípios o projeto da captação deve se guiar por soluções que envolvam o menor custo sem o sacrifício da funcionalidade. Para que isto seja conseguido devemos estudar com antecedência, a permanência natural do ponto de captação, a velocidade da correnteza, a natureza do leito de apoio das estruturas a serem edificadas e a vida útil destas, a facilidade de acesso e de instalação de todas as edificações necessárias (por exemplo, a estação de recalque, quando for o caso, depósitos, etc.), a flexibilidade física para futuras ampliações e os custos de aquisição do terreno.



4.5.3.1.6. Localização

A princípio, a localização ideal é aquela que possibilite menor percurso de adução compatibilizado com menores alturas de transposição pela mesma adutora no seu caminhamento. Partindo deste princípio, o projetista terá a missão de otimizar a situação através das análises das várias alternativas peculiares ao manancial a ser utilizado.

Para melhor rendimento operacional, é importante que, além das medidas sanitárias citadas anteriormente, a captação em rios seja em trechos retos, pois nestes trechos há menor possibilidade de assoreamentos. Quando a captação for em trecho curvo temos que na margem côncava haverá maior agressividade da correnteza, enquanto que na convexa maiores possibilidades de assoreamentos, principalmente de areia e matéria orgânica em suspensão. É, portanto, preferível a captação na margem côncava, visto que problemas erosivos podem ser neutralizados com proteções estruturais na instalação, enquanto que o assoreamento seria um problema contínuo durante a operação do sistema.

A captação em barragens deve situar-se o mais próximo possível do maciço de barramento considerando que nestes locais há maior lâmina disponível, correntezas de menores velocidades, menor turbidez, condições mais favoráveis para captação por gravidade, etc.

Em lagos naturais as captações devem ser instaladas, de preferência, em posições intermediárias entre as desembocaduras afluentes e o local de extravasão do lago.

4.5.3.2. Exemplos de captação (com figuras auto-explicativas)
4.5.3.2.1. Captação em cursos de água com pequenas vazões e baixa flutuação de nível

a) Margens estáveis



b) Margens sujeitas a erosão



c) Margens instáveis



d) Leitos rochosos com lâmina líquida muito baixa



e) Leitos arenosos com lâmina líquida muito baixa


1- Barramento com enrocamento

2- Barramento com vertedor móvel





f) Leitos arenosos com areia em suspensão





4.5.3.2.2. Com pequenas vazões e grande oscilação de nível

a) em leitos rochosos



b) Leitos arenosos





4.5.3.2.3. Com grandes vazões e pequena oscilação de nível

Neste caso as instalações de captação são similares às de captações mostradas em 4.5.3.2.1. a, b e c, provavelmente, com as bombas instaladas afogadas quando as vazões a serem captadas, também, forem significativas.



4.5.3.2.4. Com grandes vazões e grande oscilação de nível



4.5.3.2.5. Captação em reservatórios de acumulação

Se há necessidade de reservatório de acumulação significa haver variação do nível da água na captação, pois durante o período de estiagem a vazão de entrada será inferior a de saída. Quando a captação é prevista no projeto do reservatório é comum a construção de torres de tomada com saída através do maciço da barragem. Em caso contrário emprega-se o poço seco de derivação e, para vazões pequenas, sifonamento por sobre o maciço ou a captação com os conjuntos sobre balsas e com a sucção e a parte móvel do recalque em mangotes flexíveis.







4.5.4. Águas subterrâneas
4.5.4.1. Mananciais

Os reservatórios de águas subterrâneas são chamados de lençóis. Essas águas podem estar acumuladas em dois tipos de lençóis: o freático ou o artesiano. O lençol freático caracteriza-se por está assentado sobre uma camada impermeável de sub-solo, rocha, por exemplo, e submetido a pressão atmosférica local. O lençol artesiano caracteriza-se por está confinado entre duas camadas impermeáveis de crosta terrestre e submetido a uma pressão superior a pressão atmosférica local.



4.5.4.2. Captações em lençol freático

A captação do lençol freático pode ser executada por galerias filtrantes, drenos, fontes ou poços freáticos. O emprego de galerias filtrantes é característico de terrenos permeáveis (Figura 16), mas de pequena espessura (aproximadamente de um a dois metros) onde há necessidade de se aumentar a área vertical de captação para coleta de maior vazão (Figura 17). Estas galerias em geral são tubos furados, que convergem para um poço de reunião, de onde a água é retirada em geral por bombeamento, não sendo incomum outros métodos mais rudimentares.



Figura 16 - Posição da Galeria Filtrante.



Figura 17 - Detalhe para construção da galeria filtrante.

Quando o lençol freático é muito superficial, as canalizações coletoras ficam na superfície ou a pequenas profundidades de aterramento, então temos os chamados drenos. Podem ser construídos com tubos furados ou simplesmente com manilhas cerâmicas não rejuntadas. As galerias são mais comuns sob leitos arenosos de rios com grande variação de nível, enquanto que os drenos são mais comuns em áreas onde o lençol é aflorante permanecendo praticamente no mesmo nível do terreno saturado ou sob leitos arenosos de rios com pequena variação de nível.

Os poços são mais frequentes porque normalmente o lençol freático tem grande variação de nível entre os períodos de chuvas, ou seja, durante os períodos de estiagem, necessitando de maiores profundidades de escavações para garantia da permanência da vazão de captação. Logicamente as camadas permeáveis também são de espessuras consideráveis, podendo em algumas situações ser necessário o emprego de captores radiais partindo da parte mais profunda do poço para que este tenha rendimento mais efetivo.

Os tipos de poços empregados na captação de água do lençol freático são o raso comum, o amazonas e o tubular. O poço raso, popularmente chamado de cacimba ou cacimbão, é um poço construído escavando-se o terreno, em geral na forma cilíndrica, com revestimento de alvenaria ou com peças pré-moldadas (tubulões), com diâmetro da ordem de um a quatro metros por cinco a vinte de profundidade em média, a depender da posição do lençol freático. A parte inferior, em contato com o lençol deve ser de pedra arrumada, de alvenaria furada ou de peças cilíndricas pré-moldadas furadas quando for o caso. Dependendo da estabilidade do terreno o fundo do poço pode exigir o não revestimento (Figura 18).

Figura 18 - Estrutura típica de um poço raso comum.

Para evitar o carreamento de areia para o interior dos poços ou mesmo dos orifícios pode-se envolver a área de drenagem com uma camada de pedregulho e areia grossa, externamente. A retirada da água do seu interior deve ser por meio de bombeamento por medida de segurança sanitária, mas para abastecimentos singelos são frequentes o uso de sarilhos e outras bombas manuais.

O poço amazonas é uma variável do escavado, próprio de áreas onde o terreno é muito instável por excesso de água no solo (areias movediças). Seu método construtivo é que o caracteriza, pois sua construção tem de ser executada por pessoal especializado, empregando peças pré-fabricadas à medida que a escavação vai desenvolvendo-se. Sua denominação deve-se ao fato de ser muito comum na região amazônica em função de que os terrenos terem este comportamento, principalmente nas épocas de enchentes. São poços para pequenas vazões, destinados a abastecerem pequenas comunidades. Dependendo da vazão solicitada e da capacidade do lençol abastecedor os poços freáticos podem ser classificados da seguinte maneira:

a) quanto a modalidade de construção:


  • escavados (profund. até 20 m, diâmetros de 0,80 a 3,00 m, vazão até 20 L.s-1);

  • perfurados; e

  • cravados.

b) quanto ao tipo de lençol:

  • rasos; e

  • profundos.

4.5.4.2. Captações em lençol artesiano
A captação de lençóis artesianos normalmente é feita através de poços artesianos e, mais raramente, por fontes de encosta.

NOTA: A designação artesiano é datada do século XII, derivada do nome da cidade de Artois, França, onde historicamente em 1126, foi perfurado com sucesso pela primeira vez, um poço desta natureza. Um dos poços artesianos mais famosos da história, principalmente pelo seus registros de sondagens, etapas de perfuração e métodos de recuperação de ferramentas, é o de Grenelle, próximo a Paris, perfurado de 1833 a 1841, com 549 metros de profundidade, permaneceu por mais de 15 anos como o mais profundo do mundo; outro famoso poço próximo a Paris é o de Passy, concluído em 1857, com 0,70m de diâmetro e produção de 21.150 m3.d-1 a uma altura de 16,50 metros acima do solo.



4.6. Adução
4.6.1. Definição
É o conjunto de encanamentos, peças especiais e obras de arte destinados a promover o transporte da água em um sistema de abastecimento entre:

  • captação e reservatório de distribuição;

  • captação e ETA;

  • captação a rede de distribuição;

  • ETA e reservatório;

  • ETA e rede;

  • reservatório à rede; e

  • reservatório a reservatório.

4.6.2. Classificação

  • de acordo com a energia de movimentação do líquido: gravidade, recalque e mista;

  • de acordo com o modo de escoamento do líquido: livre, forçada e mista;

  • de acordo com a natureza da água: bruta e tratada.


4.6.3. Vazão de dimensionamento

  • adução contínua sem reservatório:



  • adução contínua com reservatório:



  • adução descontínua com reservatório:

em que:


Q = vazão média anual, em L.s-1;

P = população da área abastecida;

q = consumo médio diário per capta, em L.hab-1.d-1; e

n = horas de funcionamento diariamente.



4.6.4. Dimensionamento hidráulico para escoamento livre (líquido escoando com superfície livre a pressão atmosférica local - canais a céu aberto, galerias, etc)




em que:

v = velocidade de escoamento, em m.s-1;

n = coeficiente de rugosidade de Manning;

Rh = raio hidráulico, em m;

S = declividade do canal, m.m-1;

A = área da seção do canal, em m2;

P = perímetro molhado, em m; e

Q = vazão em m3.s-1.


Os limites de velocidade são função da qualidade do líquido e do material de revestimento das paredes do conduto, por exemplo mínimas de 0,45 m.s-1 para água bruta e de 0,15 m.s-1 para água limpa (tratada). Para outros limites consultar Tabelas 15.10.1 e 15.10.2 do Manual de Hidráulica de Azevedo Netto, 8a edição.


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