uma interface de pré-processamento para o epanet

VI SEREA - Seminário Iberoamericano sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de Água
João Pessoa (Brasil), 5 a 7 de junho de 2006
UMA INTERFACE DE PRÉ-PROCESSAMENTO PARA O EPANET UTILIZANDO O
AUTOCAD: O PROGRAMA UFC2
Magno Gonçalves da Costa1; Marco Aurélio Holanda de Castro2
Resumo – A utilização de ferramentas computacionais para simulação em engenharia tem se
tornado cada vez mais importante e indispensável para projetistas, gestores e outros profissionais
interessados em melhor compreender determinados processos ou fenômenos. Entretanto, o préprocessamento corresponde ao maior percentual do tempo gasto na realização da simulação
computacional de uma rede hidráulica, o que é um entrave ao uso ampliado da técnica de
simulação. Desse modo, foi desenvolvido um programa no ambiente do AutoCAD, em linguagens
AutoLISP e VBA (incorporadas no AutoCAD), que permite, dentre outras coisas, realizar o traçado
da rede no AutoCAD e exportá-la diretamente para o Epanet. Deste modo, minimiza-se os esforços
e reduz-se satisfatoriamente o tempo de criação do modelo de simulação. Entre outras vantagens,
além de redes de abastecimento de água, o programa também abrange redes de irrigação.
Abstract – The hydraulic simulation is one of the most powerful ways to perform analysis within
pressurized pipe networks. However, it is quite common that the planner spends great part of the
time study in the preprocessing phase. A program developed in the AutoCAD’s workspace provides
a dynamic and automatic solution for this problem. Customized operation tools created in AutoLISP
and VBA code allow the users to model the network pipes and elements, using AutoCAD’s
advantages and graphic resources. It can gather all input data of a supply water network and create
an input file containing all the hydraulic and geometric data. This file could be opened in the public
domain software Epanet, and is just ready to run. Other advantage of this software is to provide a lot
of tools that improve the AutoCAD workspace as well for editing simulation data.
Palavras-chave: simulação hidráulica, redes pressurizadas, pré-processamento.
1
Mestrando em Engenharia Civil – Universidade Federal do Ceará – Campus do Pici – Centro de Tecnologia –
Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental – Bloco 713 – térreo – Fortaleza - CE – CEP 60451-970 – Fone:
(85) 3288-9621 – Fax: (85) 3288-9627 – Email: [email protected]
2
Professor Adjunto – Universidade Federal do Ceará – Campus do Pici – Centro de Tecnologia – Departamento de
Engenharia Hidráulica e Ambiental – Bloco 713 - térreo – Fortaleza - CE – CEP 60451-970 – Fone: (85) 3288- 9621 –
Fax: (85) 3288-9627 – Email: [email protected]
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INTRODUÇÃO
O processo de análise e projeto de sistemas hidráulicos sofreu mudanças radicais durante os últimos
20 anos. Apesar dos princípios fundamentais que regem a mecânica dos fluidos permanecerem os
mesmos, com o desenvolvimento dos computadores, em termos de velocidade, armazenamento e
facilidade de aquisição, tornou-se viável a realização de cálculos cada vez mais complexos e
precisos (WALSKI, 2001). Isso propiciou um grande desenvolvimento de uma área do
conhecimento chamada Análise de Sistemas.
Pode-se dizer que a principal aplicação da Análise de Sistemas, para abastecimento de água,
consiste na simulação hidráulica e de qualidade de água. No entanto, uma das tarefas que mais
consomem tempo e esforço ao se tentar simular computacionalmente uma rede real de distribuição
de água, encontra-se em compor um arquivo com os dados de entrada da rede.
Esta dificuldade ocorre porque a quantidade de dados necessários à simulação é muito grande. No
modelo de redes de setores de abastecimento urbano, por exemplo, é bastante comum encontramos
centenas nós e trechos a serem inseridos, sendo necessário informar dois dados por nó e três dados
para cada trecho. Além de consumir tempo, quanto maior for a rede, maior é a probabilidade de se
cometer erros na formação do arquivo de entrada. Tal dificuldade é compartilhada por quase todas
companhias de saneamento do Brasil.
Dentro dessa visão, desenvolveu-se uma ferramenta computacional que cria uma forma dinâmica de
exportar arquivos do software gráfico AutoCAD, para o software de simulação Epanet
(ROSSMAN, 2000), utilizando-se das linguagens de programação AutoLISP e VBA.
A grande vantagem do desenvolvimento desta ferramenta é possibilitar ao usuário utilizar a
interface gráfica do AutoCAD, um dos programas mais conhecidos e difundidos no meio da
engenharia, e os recursos matemáticos do Epanet, famoso simulador do comportamento hidráulico e
da qualidade da água em redes pressurizadas.
O PROGRAMA UFC2
O programa computacional UFC2 faz parte de um pacote de programas, atualmente intitulado de
UFC, desenvolvidos pelo Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental da Universidade
Federal do Ceará. Desse modo, além do Epanet o programa UFC2 gera a entrada de dados para
mais dois programas: UFC4, que realiza otimização de diâmetro em projeto de redes por diversas
metodologias; e o UFC5, para traçado do perfil e dimensionamento de bombas de adutoras.
Depois de instalado o pacote UFC, a palheta do programa UFC2 estará disponível na barra de
ferramentas do AutoCAD (Figura 1). Nesta palheta encontram-se: os elementos hidráulicos da rede
de abastecimento (tubulações, booster, estação de bombeamento, poço profundo, manancial,
tanques, registro, válvula, conexão e demanda); os componentes de redes de irrigação (aspersores e
gotejadores); objetos de edição (editor de componentes da rede, editor de curvas de nível e
estaqueamento de adutoras); e opções gerais (definição dos atributos padrão, conversão do desenho
para o formato do UFC2, gerar arquivo de demanda e gerar arquivo para o Epanet).
Figura 1. Palheta de ferramentas do programa do UFC2 no AutoCAD.
Para facilitar o processo de identificação das entidades a serem exportadas para o Epanet, o desenho
no AutoCAD deve obedecer algumas padronizações que serão estabelecidas pelo programa UFC2.
No entanto, esta padronização foi feita de forma a não limitar a flexibilidade de se trabalhar no
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ambiente CAD. A seguir será apresentado como foi realizada a passagem de dados para cada
componente do modelo do Epanet e como foi feita a padronização dos elementos da rede.
Posteriormente se descreverá as demais ferramentas do UFC2.
Tubulações
Os tubos, no AutoCAD, são representados por uma linha que armazena suas características em sua
layer e em dados estendidos da entidade. As características a serem armazenadas são: comprimento,
material e diâmetro.
O gerenciamento do sistema através de layers é fundamental para o desenvolvimento de trabalhos
utilizando-se processos de CAD. Este sistema é flexível e poderoso, devendo ser bem explorado de
forma a permitir que as informações sejam administradas de modo eficiente. Ao se utilizar desta
ferramenta, pode-se, por exemplo, tornar visível apenas os trechos de um determinado material ou
diâmetro.
Portanto, os tubos desenhados pelo UFC2 podem receber qualquer comando do AutoCAD (mover,
copiar, estender, cortar, etc.) sem que se perca a compatibilidade com a padronização, desde que
este comando não altere o tipo da linha desenhada.
Caso seja necessário indicar que um tubo será mantido fechado não é preciso retirá-lo do desenho.
Para isso, é necessário apenas inserir sobre o tubo o bloco de registro, o que fará com que o tubo
inicie fechado na simulação.
Junções ou Nós
Para cada início, ou fim, de um tubo, é gerado um nó no modelo da rede. Este nó existe apenas no
Epanet e suas características são acrescentadas automaticamente. As características dos nós no
modelo são: coordenadas, valores de elevação (cota) e demanda.
As cotas são obtidas a partir da interpolação das curvas de níveis inseridas no desenho. Utiliza-se
um método de interpolação linear, o qual realiza a interpolação em quatro direções distintas. A cota
interpolada será a média ponderada das cotas interpoladas, de acordo com a equação a seguir:
Ci =
C1 (1 / d1 ) + C 2 (1 / d 2 ) + C 3 (1 / d 3 ) + C 4 (1 / d 4 )
1 / d1 + 1 / d 2 + 1 / d 3 + 1 / d 4
(1)
em que:
Ci: Cota interpolada do nó “i”;
C1: Cota interpolada do nó “i” na direção norte-sul;
C2: Cota interpolada do nó “i” na direção leste-oeste;
C3: Cota interpolada do nó “i” na direção nordeste-sudoeste;
C4: Cota interpolada do nó “i” na direção noroeste-sudeste;
d1: Distância entre as curvas de nível na direção norte-sul;
d2: Distância entre as curvas de nível na direção leste-oeste;
d3: Distância entre as curvas de nível na direção nordeste-sudoeste;
d4: Distância entre as curvas de nível na direção noroeste-sudeste;
Esta metodologia foi adotada para garantir uma boa precisão e evitar ao máximo a ocorrência de
erros, principalmente aqueles referentes a pontos localizados próximos às extremidades das curvas
de nível.
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Uma grande quantidade de tempo é economizada com esse procedimento, pois não é necessário
entrar com os valores de elevação para cada nó ou junção da rede, mas somente fornecer as curvas
de nível do terreno, que comumente já estão traçadas em CAD.
As demandas podem ser calculadas, através da distribuição uniforme da população de projeto ou
pelo número médio de ligações a cada 100m; ou inseridas manualmente, que pode ser: ponto a
ponto usando-se o bloco de demanda especial, ou através de um arquivo de texto que contenha
valores de coordenadas e demanda.
Bombas
Na modelagem hidráulica das bombas no Epanet, leva-se em conta apenas sua principal
característica: a de fornecer energia a um fluido aumentando sua carga hidráulica. Seu principal
parâmetro de entrada é a “curva de bomba”, que representa a relação entre a altura manométrica e a
vazão que essa bomba pode ofertar em seu estado nominal de velocidade.
Pode-se ainda fornecer uma curva de eficiência para uma bomba no Epanet. Esta curva determina a
eficiência da bomba (em percentagem) em função da vazão. A eficiência representará não só as
perdas de energia mecânica na bomba, mas também as perdas de energia elétrica no motor, sendo
importante para a avaliação energética e econômica do sistema.
Essas duas curvas são inseridas no programa UFC2 através de um único arquivo que contenha os
pontos de altura manométrica e vazão e, em seguida, os de eficiência e vazão.
A bomba está presente em quase todos os sistemas de captação de água e, nesses casos, encontramse sujeitas a condições características. Por isso, optou-se por se realizar automaticamente a
modelagem de dois tipos comuns de sistema captação: poço profundo e estação de bombeamento.
Poços Profundos
Os poços podem ser modelados simplesmente como uma bomba que capta água de um reservatório
de nível fixo, com cota abaixo do nível do terreno, e que cede água à rede. Como as vazões
provenientes dessa captação estão concentradas geralmente numa única tubulação (tubo edutor), a
parcela das perdas de carga localizadas passa a ser ter grande relevância. Logo, o modelo deverá
conter, além dos elementos indicados anteriormente, um tubo representando o tubo edutor.
Portanto, os poços profundos são representados no AutoCAD por blocos (Figura 2) contendo as
seguintes informações: identificação do referido poço, nível d’água, cota do terreno, profundidade
de instalação, diâmetro do tubo edutor, coeficiente de perda de carga localizada, reservatório de
destino, arquivo de bomba e arquivo de rebaixamento. Os três últimos atributos são opcionais.
No caso de fornecimento do arquivo de rebaixamento será inserida uma válvula genérica (General
Purpose Valve) anterior à bomba, que obedecerá a curva de perda de carga versus vazão indicada,
onde essa perda de carga representa o rebaixamento do nível do poço, em metros.
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Figura 2. Exemplo de bloco de Poço Profundo no AutoCAD e seu respectivo modelo no EPANET.
Se for especificado o atributo de “reservatório de destino”, o programa UFC2 gera automaticamente
uma regra de operação no Epanet para desligamento/acionamento da bomba de acordo com o nível
deste reservatório (Figura 3).
Figura 3. Exemplo de regra de operação para as bombas.
Estações de Bombeamento
As Estações de Bombeamento diferenciam-se dos poços, pela cota do manancial (geralmente
próxima à do terreno), a tubulação de sucção (ao invés do tubo edutor) e por possuir mais que uma
bomba funcionando em paralelo. Além disso, não apresentam rebaixamento. Portanto, estes
elementos são representados no AutoCAD e no Epanet como mostra a Figura 4, a seguir:
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Figura 4. Exemplo de bloco de Estação de Bombeamento no AutoCAD e seu respectivo modelo no
Epanet.
Reservatórios de Nível Fixo
Na modelagem, os Reservatórios de Nível de Fixo, ou Tanques, se comportam como um nó que
possui capacidade de armazenamento, onde este volume armazenado poderá variar durante o tempo
de simulação. No AutoCAD os tanques são representados por dois blocos: um para tanque de seção
circular e outro de seção retangular. Esses blocos possuem informações de identificação do tanque,
diâmetro (ou diâmetro equivalente), nível de entrada, nível máximo e nível mínimo da água. No
caso do tanque de seção retangular, o programa calcula o diâmetro equivalente a partir da área da
seção transversal.
No caso de reservatórios cujo nível de entrada é superior ao nível máximo, quando abastecido por
adutoras, será realizada a simulação da entrada por cima (Figura 5). Para isso é necessário
acrescentar uma válvula do tipo PSV (Pressure Sustaining Valve) que manterá a pressão constante e
igual a zero no nó posterior a ela. Obviamente isto implica que será necessário acrescentar um
trecho após a válvula, para compatibilidade no cálculo hidráulico, já que a pressão em reservatórios
não pode ser alterada. Viu-se a necessidade de se acrescentar também mais um trecho, anterior à
válvula para compatibilizar o perfil da adutora com a realidade.
Figura 5. Exemplo de Tanque com entrada por cima, no Epanet.
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Conexões entre redes
Quando uma rede de abastecimento é muito extensa, ela pode ser dividida, tratando-se suas partes
separadamente. Para tal, deve-se considerar os pontos desta divisão como conexões, que poderão
ser de entrada ou de saída de uma rede para outra.
Para simular este tipo de conexão utiliza-se um reservatório de nível fixo e uma bomba que terá sua
curva composta pelos dados medidos de pressão e vazão máxima; pressão e vazão média; e, pressão
e vazão mínima. Esta metodologia foi adotada satisfatoriamente no trabalho de COSTA et al.
(2003).
Emissores
O programa UFC2 também pode ser empregado para realizar o pré-processamento de redes de
irrigação utilizando-se os elementos de aspersores e gotejadores. Os aspersores são introduzidos um
a um, pois são representados por blocos no AutoCAD. Já os gotejadores são considerados em linha
(Figura 6), sendo necessário definir o espaçamento entre eles.
A modelagem destes elementos no Epanet ocorre através do elemento nodal no qual acrescenta-se a
característica chamada de coeficiente do emissor, que seria a constante de proporcionalidade entre a
vazão e uma determinada potência da pressão.
Figura 6. Rede de gotejadores em linha no AutoCAD e seu respectivo modelo no Epanet.
Exportação para o Epanet
Após o desenho de uma rede com o auxílio do UFC2, é possível a exportação dos dados inseridos
no AutoCAD para o Epanet. Esta exportação é feita através da criação de um arquivo de entrada, no
formato ASCII, de extensão “.inp”.
Têm-se três opões para exportação: Simulação de Redes e Adutoras, Projeto de Rede e Projeto de
Adutora. Na segunda opção, o arquivo de entrada é criado sem as adutoras e considerando-se os
reservatórios de nível variável com nível fixo igual ao nível mínimo. No caso de projeto de
adutoras, será exportado apenas a adutora selecionada e os reservatórios de nível variável serão
considerados de nível fixo igual ao nível máximo.
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Na passagem dos dados para o Epanet pode-se escolher também a fórmula de cálculo das perdas de
cargas distribuídas: Darcy-Weisbach ou Hazen-Willians. De acordo com a opção selecionada o
programa se encarrega de utilizar o coeficiente de rugosidade adequado.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
A utilização combinada das linguagens de programação AutoLISP e Visual Basic, propiciou uma
maior flexibilidade na criação de códigos e objetos, sendo possível superar as limitações inerentes a
cada uma. Entretanto, vale ressaltar que o programa UFC2 é compatível apenas com versões do
AutoCAD a partir da 2002. Versões inferiores a essa possuem problemas de compatibilidade com o
código em VBA.
Como foi dito anteriormente, o programa UFC2 é composto por um extenso conjunto de rotinas,
alguns de caráter extremamente prático, e que dão uma grande abrangência ao programa. Toda a
entrada de dados é feita de forma simples, através de caixas de diálogo amigáveis e autoexplicativas, como mostra a Figura 7. Todos estes esforços contribuem para o resultado final do
programa UFC2: a composição de um arquivo de entrada para simulação hidráulica no Epanet, da
forma mais simples e rápida possível.
Como sugestões para aprimoramento do presente trabalho propõe-se:
a)
Ajuste no método de cálculo de interpolação de curvas de nível adotado, de modo a torná-lo
mais eficiente;
b)
Realizar o desenho da rede no AutoCAD, a partir de um arquivo “.inp”;
c)
Gerar quantitativos dos componentes da rede;
d)
Realizar exaustivos testes para testar a confiabilidade do modelo gerado.
Figura 7. Caixa de diálogo para edição dos atributos de um Reservatório Circular de Nível Variável.
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CONCLUSÃO
A ferramenta computacional criada constitui-se em um instrumento a ser usado para desenho,
cadastro e consulta técnica de redes de abastecimento de água. Além disso, mostra-se uma poderosa
ferramenta de auxilio à simulação hidráulica de redes pressurizadas, diminuindo drasticamente o
tempo e o esforço para composição deste modelo de simulação.
São várias as aplicações do modelo gerado, podendo ser utilizado tanto no projeto quanto na
operação de redes. Podendo-se, por exemplo, planejar futuras expansões ou detectar problemas de
alta ou baixa pressão, vazamentos, demandas reprimidas, etc.
Através da automatização da entrada de dados, ganha-se não somente em tempo de préprocessamento, mas também em termos de precisão da simulação hidráulica de redes reais, uma vez
que se minimiza os erros cometidos no processo de uma entrada de dados manual e rotineira.
Além das vantagens da automatização do processo de simulação, o programa possibilita adotar um
padrão nos arquivos do traçado da rede, que possuem grande flexibilidade, inclusive para edições
finais de plotagem.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
COSTA, M. G.; ARAUJO, F. F. V.; CASTRO, M. A. H. ; GAIO, M. M. 2003. “Automatização da
obtenção de dados de entrada de redes de abastecimento de água para simulação computacional
hidráulica, um projeto UFC-COPASA” in XV Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos.
Novembro de 2003. Anais em CD-ROM.
ROSSMAN, Lewis A. 2000. “EPANET Users Manual”. Drinking Water Research Division, Office
of Research Development, U. S. Environmental Protection Agency.
WALSKI, T. M.; D. V. CHASE e D. A. SAVIC. 2001. “Water Distribution Modelling”. Haestad
Press, Waterbury – CT.