Capítulo II - Noções Gerais, Bases Quantitativas

8/17/2019 Capítulo II - Noções Gerais, Bases Quantitativas

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Hidráulica Urbana e mbiental

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II. SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA POTÁVEL

II.1. Sistemas de abastecimento de água: noções gerais; consti tuição

Um sistema de abastecimento e distribuição água pode considerar-seconstituído por um conjunto de partes

A cada uma destas partes correspondem-lhe órgãos, const ituídos porobras de construção civil , equipamentos eléctricos e electromecânicos,acessórios, instrumentação e equipamentos de automação e controle.

Parte Órgão Objectivo/Função

Captação Obras de captação

Captar água bruta nas origens(superficiais e subterrâneas), de acordocom as disponibi lidades e asnecessidades.

ElevaçãoEstações elevatórias esobrepressoras

Bombar água (bruta ou tratada) entre umponto de cota mais baixa e um ou maispontos de cota mais elevada.

Apresentação baseada nas folhas “ Sistemas de Abastecimento de Água” da discipl ina de Saneamento Ambiental I do IST


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Transporte ouadução

Adutores, aquedutose canais

Conjunto de obras destinadas a transportar aágua desde a origem à distribuição. O transportepode ser:

• em pressão (por gravidade e por

bombagem);• com superfície livre (aquedutos e canais).

TratamentoEstações detratamento de água(ETA)

Produzir água potável a partir de água bruta,obedecendo às normas de qualidade.

Armazenamento Reservatórios

• Servir de volante de regularização,compensando as flutuações de consumo face àadução.

• Constitu ir reservas de emergência (combate aincêndios ou em casos de interrupçãovoluntária ou acidental do sistema de montante).

• Equilibrar as pressões na rede de distribuição.• Regularizar o funcionamento das bombagens.


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DistribuiçãoRede geral pública dedistribuição de água

Conjunto de tubagens e elementos acessórios,como sejam juntas, válvulas de seccionamento ede descarga, redutores de pressão, ventosas,bocas de rega e lavagem, hidrantes e

instrumentação (medição de caudal, porexemplo), destinado a transportar água paradistribuição

Ligaçãodomiciliária

Ramais de ligação Asseguram o abastecimento predial de água,desde a rede públ ica até ao limite da propriedadea servir, em boas condições de caudal e pressão.

Distribuiçãointerior

Redes interiores dosedifícios

Conjunto de tubagens e elementos acessóriospara distribuição de água no interior dosedifícios.

NOTA: Além das tubagens, os elementos funcionais mais importantes nos

sistemas de adução e nas redes de distribuição de água são asestações de bombagem e os reservatórios.


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na concepção e dimensionamento de sistemas de abastecimento de água éindispensável avaliar, por um lado, as disponibi lidades nas possíveisorigens, e, por outro, as necessidades de água, actuais e futuras (para umdado horizonte de projecto)

Para avaliar as disponibilidades de água, de acordo com as necessidadesactuais e futuras do sistema de abastecimento de água, é necessário:

• para as origens superficiais, elaborar estudos hidrológicos, paraavaliar as disponibi lidades com um determinado grau de risco

(período de retorno);

• para as origens subterrâneas, executar sondagens e ensaios deprodutividade, com o mesmo objectivo referido anteriormente

NOTA: Para qualquer das origens, é necessário proceder à avaliação da qualidade da água nos

parâmetros defin idos no Decreto-Lei nº 236/98, através de uma campanha demonitorização, com a duração e o número de amostras especificadas no diploma legal.


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Para a avaliação das necessidades actuais e futuras (para um dadohorizonte de projecto) é necessário:

• Avaliar a situação demográfica actualizada da área a servir (quer

em termos da população residente e flutuante)• Avaliar a sua evolução previsível para um dado horizonte de projecto

• Avaliar os consumos de água (actuais e futuros) para os diferentesusos no aglomerado populacional (consumos domésticos, comerciais

e de serviços, industr iais e públicos)

NOTA: A importância da avaliação correcta das quantidades de água para as quaisse deve projectar os sistemas de abastecimento de água reside,fundamentalmente, no facto de aqueles sistemas envolverem elevados

investimentos e de demorada execução e não serem facilmente ampliáveis.


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Exemplo da constituição de um sistema com origem superficial

Bacia

hidrográfica

Albufei ra

(reservatório de origem)

Aglomerado

populacional

Rede de

distribuição

Barragem

(obra decaptação)

Adutora

Reservatório deabastecimento

ETA



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II.2. Bases quantitativas de projectos de abastecimento de água

Principais elementos base a considerar num projecto de abastecimento de água:

• Horizonte do projecto e período de vida dos empreendimentos : númerode anos durante os quais o sistema ou as estruturas e equipamento queo compõem têm que servir em boas condições

• População de projecto ou população futura: população a servir nohorizonte do projecto

• Caudais de projecto: são as bases quantitativas a considerar nodimensionamento dos diferentes órgãos

• Área de projecto: área na qual se têm que avaliar as densidadespopulacionais e os quantidades de água a considerar nas suas zonasresidenciais, comerciais, industr iais e outras

• Hidrologia do projecto ou dados hidrológicos para avaliar asdisponibil idades de água (superficiais e/ou subterrâneas)


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Os factores mais relevantes que condicionam a escolha do horizonte do projecto:

• vida útil das obras de construção civi l e dos equipamentos

• facilidade ou dificuldade de ampliação do sistema

• previsão da evolução da população, incluindo desvios bruscos de desenvolvimento

• aumento da taxa de juro durante o período de amortização do investimento

• funcionamento da instalação nos primeiros anos de exploração

Maior v ida útil

Maior dificuldade de ampliação

Mais baixo e uniforme o crescimento populacional

Menor a taxa de juro

Melhor funcionamento inicial

Maior horizonte deprojecto


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VIDA ÚTIL MÉDIA E HORIZONTES DE AMORTIZAÇÃO E DE PROJECTO

TIPO DE OBRADURAÇÃOPROVÁVEL

(anos)

PERÍODO DE AMORTIZAÇÃO

(anos)

HORIZONTEDE PROJECTO

(anos)

Compra de terrenos para grandes obras - 80 -

Compra de terrenos para outras obras - 60 -

Grandes obras de engenharia civil(barragens, túneis, reservatórios, etc.)

80 – 100 50 – 60 50

Furos e poços de captação 50 – 60 30 20 – 30Tomadas de água em rios 40 – 50 30 20 – 40

Grandes condutas adutoras 60 – 80 40 – 60 50

Estações de bombagem e outros edifícios 40 – 60 30 20 – 40


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VIDA ÚTIL MÉDIA E HORIZONTES DE AMORTIZAÇÃO E DE PROJECTO

TIPO DE OBRADURAÇÃOPROVÁVEL

(anos)

PERÍODO DE AMORTIZAÇÃO

(anos)

HORIZONTEDE PROJECTO

(anos)

Grupos electrobomba e outros

equipamentos electromecânicos 25 – 35 20 – 25 20 – 25

Reservatórios e torres de pressão 80 – 100 40 – 50 20 – 40

Condutas principais de água potável 50 – 100 30 – 40 30 – 40

Condutas de distribuição 30 – 40 30

máxima

expansãourbana

Instalações de tratamento (construção civil) 40 – 60 30 20 – 40

Instalações de abrandamento e outrostratamentos químicos

20 – 30 15 20 – 25


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ESTIMATIVAS DA POPULAÇÃO

A concepção e dimensionamento de sistemas de abastecimento de água, pararesultarem na prática, necessitam basear-se em dados característicos dapopulação servida e a servir, no horizonte de projecto

As estimativas de evolução da população podem ser feitas a partir de diversosmétodos, cuja escolha deve ser feita pelo engenheiro, tendo como baseprincipalmente a sua experiência e o bom senso


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O crescimento de uma aglomeração humana assemelha-se ao de uma culturabacteriana:

• a de início do crescimento tendo em conta a adaptação do organismos ao meio(lag-time)

• a de crescimento muito rápido (geométrico posit ivo)

• a de aumento mais lento (aritmético)

• a do retardamento de crescimento (geométrico negativo)

• a de saturação ou estacionária, além da qual começa a fase recessiva até aodesaparecimento da espécie (fase rara numa população humana)


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Os métodos mais usuais para o cálculo de evolução de populações são:

• gráficos

• taxa de crescimento decrescente

• matemático - curva logística

• razão e correlação

• parcelar

• previsão de emprego


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Métodos gráficos

• englobam aqueles que modelam o crescimento segundo uma progressão,aritmética ou geométrica, os que se baseiam na equação dos mínimosquadrados e os métodos comparativos e de extrapolação visual

• as principais vantagens destes métodos são a sua simplicidade efacil idade de aplicação

• os resultados obtidos não são exactos, havendo uma certa flutuação quetem que ser compensada com estudos complementares


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Métodos gráficos

Método aritmético

• somar, à população actual, sempre o mesmo nº de habitantes em iguaisperíodos do tempo (ex: intervalo entre censos), graficamente resulta numa recta

com

( ) a final inicial final inicial adP

k P P t t k dt = ⇒ − = −

2 1

2 1a

P Pk

t t

−=

−


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Métodos gráficos

Método geométrico

• crescimento da população é dado por uma progressão geométrica, graficamenteresulta numa parábola

com

( ) final inicial g

t t k

g final inicial

dPk P P P e

dt

−= ⇒ =

2 1

2 1

ln lng

P Pk

t t

−=

−

lei de juros compostos

( )( )1 final inicialt t

final inicialP P k −

= + com2 1

2 1

ln ln

1

P P

t t k e

⎛ ⎞−

⎜ ⎟−⎝ ⎠= −


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Métodos gráficos

Método dos mínimos quadrados

• cálculo da equação da recta dos mínimos quadrados para os valores obtidosem censos anteriores e a sua extrapolação para anos futuros

comn nP at b= +

( ) ( )2 2i i i i

i i

t P M t Pa

t M t

−=

−

∑ ∑ ∑

∑ ∑

( )

( ) ( )

2

2 2

i i i i i

i i

t t P P t b

t M t

−=

−

∑ ∑ ∑ ∑

∑ ∑

= número de censos disponíveis M

= ano em que se apurou a populaçãoi it P


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Métodos gráficos

Método por comparação

tomam-se os censos anterioresde várias cidades semelhantesàquela para a qual se quer fazera previsão, mas que tenhampopulações actuais superiores,traçando as respectivas curvasde crescimento de todas elasnum mesmo gráfico


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Métodos gráficos

Método por observação e extrapolação visual

consiste em marcar num gráfico todos os valores dos censos anteriores e,ainda, os valores das previsões encontradas por diversos processos. Traça-sea sentimento, fazendo uma extrapolação visual, uma curva que melhor seajuste à curva dos censos anteriores, sabendo que no último ano do períodoem estudo ela deve ter um valor compreendido entre o mínimo e o máximo dosvalores já calculados


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Métodos da taxa de crescimento decrescente

• geralmente, verifica-se que um núcleo urbano qualquer, quanto maior se

torna, menor é a sua taxa de crescimento anual. Esta redução na taxa decrescimento, à medida que o núcleo cresce, é de um modo geral acentuada,

• considerar um decrescimento na taxa de crescimento da população é um dosmétodos mais válidos para estimar populações, em especial se for feito com baseem estudos semelhantes realizados para cidades que tenham actualmentepopulação superior à da cidade em estudo e características semelhantes

( )d dP

k S Pdt

= −com

2

1

2 1

ln

d

S P

S P

k t t

−−

−

= −= população de saturaçãoS


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Métodos matemáticos - curva logística

Esta lei tem em conta que o

crescimento da populaçãodepende do tempo e é a quemelhor se adapta à realidade

1 bt S

Pme

=+

com ( )2

0 1 2 1 0 2

20 2 1

2P P P P P PS

P P P

− +=

−

0

0

S P

m P

−

=

( )0 1

0

1ln

P S P

b n S P

−⎡ ⎤

= ⎢ ⎥−⎣ ⎦


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Método da razão e correlação

considera-se que a taxa de crescimento da população de uma dada comunidade

pode estar relacionada com a respectiva taxa da região ou do país. Usa-se para talum factor de conversão apropriado, que permite passar de estimativas depopulações em grandes áreas para a núcleos urbanos mais pequenos

1

1

r

R

Pk

P

=1 = população no último censoP

1 = população no último censo na região RP


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Método parcelar

• baseia-se numa análise parcelar detalhada dos diversos factores que intervêm

no crescimento da população, nomeadamente a natalidade/mortalidade e amigração

• para a análise das taxas de natalidade e mortalidade tem de se tomar em linha deconta o aumento do nível de vida, e quanto à migração tem de se atender à

emigração e à migração, fenómenos complexos e difíceis de prever a longo prazo

• devido à complexidade destes fenómenos, este método é pouco ut il izado


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Método da previsão do emprego

• a estimativa de crescimento da população de um certo aglomerado urbano,

baseia-se na variação de oferta e procura de emprego nessa área. É um métodousado principalmente em previsões de curto prazo

de todos os métodos anteriormente descritos, é difícil eleger um como

sendo o mais preciso e de aplicação universal entra em jogo a experiência e o bom senso do engenheiro, pois muitas

vezes é de posse dos valores obtidos por alguns destes métodos quese pode ajuizar, puramente a sentimento, o valor a atribuir à população

de um núcleo urbano ao fim de um dado período


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CONSUMOS E CAUDAIS DE PROJECTO

A determinação dos caudais de dimensionamento dos sistemas tem como basesfundamentais de determinação, no caso de abastecimento de água: o número dehabitantes a servir no horizonte de projecto e o consumo de água per capita

O consumo de água per capita é correntemente expresso em termos do consumodiário médio anual por habitante, ou seja, da capitação (normalmente expressaem l/(hab.dia)). Este valor obtém-se dividindo o consumo anual total pelo númerode habitantes e pelo número de dias do ano

A capitação fornece unicamente uma característica média do consumo, nãodando qualquer indicação sobre as características mais desfavoráveis (valoresextremos - máximos e mínimos) ou sobre as características instantâneas dosvolumes de água em jogo


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As capitações a atribuir a um dado núcleo urbano são de difícil avaliação, umavez que são muito variáveis e dependem de diversos factores, entre os quais oclima, o nível de vida, os hábitos da população, entre outros

No nosso País, não se dispõem de muitos dados estatísticos sobre osconsumos, nem os existentes estão devidamente compilados. Haverá, portanto,na maior parte dos casos, que atribuir um determinado valor a essa capitação,valor esse um pouco arbitrário e sempre passível de discussão

A determinação da capi tação deve basear-se no conhecimento dos consumos deágua, quando existam e sejam representativos, os quais podem ser obtidos apartir dos registos dos serviços de exploração da entidade gestora


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Os caudais de projecto destinam-se a satisfazer os consumos domésticos,comerciais e de serviços, industriais e similares, e públicos; há que garantir,ainda, caudais para fazer face a perdas e fugas e para combate a incêndios

Os consumos de água domésticos devem ser obtidos, preferencialmente, combase em dados existentes que sejam representativos, os quais podem ser

obtidos a partir dos registos dos serviços de exploração dos sistemasexistentes

Caudais para satisfazer os consumos domésticos

Quando não se disponha de informação correcta dos consumos, estes devemser avaliados a partir de valores da capitação estimados, atendendo àdimensão e às características do aglomerado, ao nível de vida da população eseus hábitos higiénicos e às condições climáticas locais


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O Decreto Regulamentar nº 23/95, estipula, no seu artigo 13.º, que


“ As capitações na distribuição exclusivamente domiciliária não devem, qualquerque seja o horizonte de projecto, ser inferiores aos seguintes valores:

a) 80 l/habitante/dia até 1000 habitantes;

b) 100 l/habitante/dia de 1000 a 10000 habitantes;

c) 125 l/habitante/dia de 10000 a 20000 habitantes;d) 150 l/habitante/dia de 20000 a 50000 habitantes;

e) 175 l/habitante/dia acima de 50000 habitantes.”


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O caudal diário médio para satisfazer os consumos domésticos é dado por


86400ma

P C Q

×=

= caudal diário médio anual (l/s)maQ

= população (residente e flutuante) (hab)P

= capitação (l/(hab.dia))C


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No que respeita aos caudais para satisfazer os consumos comerciais e de

serviços, podem-se verificar, num aglomerado urbano, duas situações distintas:

Caudais para satisfazer os consumos comerciais e de serviços

• as unidades comerciais e de serviços são de pequena dimensão eencontram-se nele disseminadas (os caudais para satisfazer os consumoscomerciais e de serviços são normalmente englobados nos caudais paraconsumo doméstico)

• as unidades comerciais e de serviços são de apreciável dimensão econcentradas (indispensável proceder a uma inventariação e a umalocalização das unidades comerciais e de serviços, de modo a serematribuídos caudais concentrados)


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“ 1 - As capitações correspondentes aos consumos comerciais e de serviçospodem, na generalidade dos casos, ser incorporadas nos valores médios dacapitação global.

2 - Em zonas com activ idade comercial intensa pode admitir-se uma capitação daordem dos 50 l/habitante/dia ou considerarem-se consumos localizados.”

Caudais para satisfazer os consumos comerciais e de serviços


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Tal como nos caudais para satisfazer consumos comerciais e de serviços,

podem-se verificar, num aglomerado urbano, duas situações distintas:

Caudais para satisfazer os consumos industr iais e similares

• as unidades industr iais e similares são de pequena dimensão e encontram-se nele disseminadas (os caudais para satisfazer os consumos industr iais esimilares são normalmente englobados nos caudais para consumodoméstico)

• as unidades industr iais e similares são de apreciável dimensão econcentradas (indispensável proceder a uma inventariação e a umalocalização das unidades industr iais e similares, de modo a serem atribuídoscaudais concentrados)


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“ 1 - Os consumos industriais caracterizam-se por grande aleatoriedade nassolic itações dos sistemas, devendo ser avaliados caso a caso e adicionados aosconsumos domésticos.

2 - Consideram-se consumos assimiláveis aos industriais os correspondentes,entre outros, às unidades turísticas e hoteleiras e aos matadouros.”

Caudais para satisfazer os consumos industr iais e similares


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“ 1 - Os consumos públicos, tais como de fontanários, bebedouros, lavagem dearruamentos, rega de zonas verdes e limpeza de colectores, podem geralmenteconsiderar-se incorporados nos valores médios de capitação global, variandoentre 5 e 20 l/habitante/dia.

2 - Não se consideram consumos públicos os de estabelecimentos de saúde,ensino, militares, prisionais, bombeiros e instalações desportivas, que devemser avaliados de acordo com as suas características.”

Caudais para satisfazer os consumos públicos


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Entende-se por perdas e fugas todo o volume de água que não é facturado. O

volume de água não facturado pode, em termos gerais, ser dividido nasseguintes parcelas:

Caudais para fazer face a perdas e fugas

• perdas físicas, que correspondem aos volumes de água não facturados enão consumidos (correspondem às roturas que se verificam ao longo de todo osistema, envolvendo a rotura de tubagens e perdas em reservatórios, além das

decorrentes dos procedimentos de descargas ou purgas na rede)

• perdas não físicas, que correspondem aos volumes de água não facturadosmas consumidos (ligações clandestinas; igações sem contador (por exemplo,nos casos de chafarizes, bocas de rega e de lavagem, hidrantes, entre outros);

contadores com funcionamento anómalo; erros de leitura de contadores)


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“ As fugas de água nos sistemas devem ser avaliadas, não podendo, em casoalgum, admitir-se um valor inferior a 10% do volume de água entrado nosistema.”

Caudais para fazer face a perdas e fugas


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“ 1 - Os volumes de água para combate a incêndios são função do risco da sua ocorrência e

propagação na zona em causa, à qual deve ser atribuído um dos seguintes graus:a) Grau 1 - zona urbana de risco mínimo de incêndio, devido à fraca implantação de edifícios,

predominantemente do tipo familiar ;

b) Grau 2 - zona urbana de baixo grau de risco, constituída predominantemente porconstruções isoladas com um máximo de quatro pisos acima do solo;

c) Grau 3 - zona urbana de moderado grau de risco, predominantemente constituída por

construções com um máximo de dez pisos acima do solo, destinadas à habitação,eventualmente com algum comércio e pequena indústr ia;

d) Grau 4 - zona urbana de considerável grau de risco, consti tuída por construções de mais dedez pisos, destinadas a habitação e serviços públicos, nomeadamente centros comerciais;

e) Grau 5 - zona urbana de elevado grau de risco, caracterizada pela existência de construçõesantigas ou de ocupação essencialmente comercial e de actividade industrial que armazene,util ize ou produza materiais explosivos ou altamente inflamáveis.”

Caudais para combate a incêndios


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“ 2 - O caudal instantâneo a garantir [na rede de distribuição de água para o combate a

incêndios, em função do grau de risco, é de:a) 15 l/s - grau 1;

b) 22,5 l/s - grau 2;

c) 30 l/s - grau 3;

d) 45 l/s - grau 4;

e) A definir caso a caso - grau 5.

3 - Nas zonas onde não seja técnica ou economicamente possível assegurar os referidoscaudais instantâneos através da rede públ ica, dimensionada para consumos normais,nomeadamente em pequenos aglomerados, deve providenciar-se para que haja reservas deágua em locais adequados, que assegurem aqueles caudais conjuntamente com os caudais

disponíveis na rede de distribuição existente.”

Caudais para combate a incêndios


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No dimensionamento dos órgãos dos sistemas de abastecimento e distribuição

de água, não interessa apenas conhecer caudais médios, mas importa conhecertambém os caudais máximos (ou de ponta)

Factores de ponta

Definem-se, assim, os chamados caudais de ponta, como sendo o produto docaudal médio anual pelos factores de ponta

= caudal diário médio anual (l/s)maQ

= caudal médio do mês de maior consumo (l/s)mM Q

= caudal médio do dia de maior consumo (l/s)mDQ

= caudal máximo instantâneo (l/s)iQ


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Factor de ponta mensal

Factores de ponta

= 1,3mM mma

Q f

Q

≈

Factor de ponta diário = 1,5mDd ma

Q f

Q≈

Factor de ponta instantâneo = 3 a 5iima

Q f

Q≈


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“ 1 - Na falta de elementos que permitam estabelecer factores de ponta instantâneos, devemusar-se, para os consumos domésticos ou outros que tenham variação assimilável à da

população, os valores resultantes da expressão:

em que P é a população a servir.”


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Factores de ponta

O factor de ponta (f i) deve ser determinado, preferencialmente, com base na

análise de registos de consumos

70 = 2i f

P+



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Dada a localização relativa dos diversos órgãos, indicam-se, apenas como

regras de orientação geral, os caudais de dimensionamento ou de projecto aconsiderar em cada caso:

Factores de ponta

• obras de captação: QmM, se a conduta adutora for dimensionada para estecaudal, ou QmD, se a conduta adutora for dimensionada para este caudal

• condutas adutoras a montante de reservatórios: QmM, se a conduta adutorafor dimensionada para este caudal, ou QmD, se a conduta adutora fordimensionada para este caudal

• condutas adutoras a jusante de um reservatório que alimenta uma rede dedistribuição: Qi


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Dada a localização relativa dos diversos órgãos, indicam-se, apenas comoregras de orientação geral, os caudais de dimensionamento ou de projecto aconsiderar em cada caso:

Factores de ponta

• estações elevatórias em sistemas de adução: genericamente, QmM, se aconduta adutora for dimensionada para este caudal, ou QmD, se a condutaadutora for dimensionada para este caudal

• estações de tratamento de água: QmM, se a conduta adutora for

dimensionada para este caudal, ou QmD, se a conduta adutora fordimensionada para este caudal, ou, ainda, Qi se a localização do tratamentono sistema, for, por exemplo, entre o reservatório de armazenamento deágua e a rede de distribuição (caso da desinfecção)

• redes de distribuição: Qi

• adutoras - distribuidoras - QmD ou Qi


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Exemplos:

Factores de ponta

• captação: QmM ou QmD, (de acordo a adutora)

• Rede de dist ribuição: Qi

Reservatório de

origem (captação)

Adutora


Conduta até

à cidade

Rede dedistribuição



Rede de

distribuição


Reservatório de

origem (captação)

Adutora

Filtros

Conduta atéà cidade

Adutora


ETA

Estaçãoelevatória

Estaçãoelevatória

Poço

(captação)

Rio(captação)

ETAAdutoraAdutora

Reservatório deabastecimentoEstação

elevatória


• Adutora (condutas I e II): QmM ou QmD

• Conduta III: Qi

• Estações elevatórias: QmM ou QmD, (de acordo

a adutora)• ETA: QmM ou QmD, (de acordo a adutora)

Capítulo II - Noções Gerais, Bases Quantitativas

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