1 Eng. Sanitarista. SimTejo, SA. p.povoa@simtejo.adp.pt 2 Eng. Ambiente. Hidromod, Lda. pedro.galvao@hidromod.com 3 Eng. Civil. Hidromod, Lda. adelio@hidromod.com 4 Eng. Ambiente. Bentley Systems. pedro.pina@bentley.com 5 Eng. Civil. Hidromod, Lda. paulo.leitao@hidromod.com

GESTÃO OPTIMIZADA DE REDES DE SANEAMENTO: O EXEMPLO DO SUBSISTEMA DE BEIROLAS

Pedro PÓVOA1, Pedro GALVÃO2, Adélio SILVA3, Pedro PINA4 e Paulo LEITÃO5

RESUMO

A gestão eficiente da informação e a capacidade de antecipar problemas ou planear operações de forma eficiente constituem pontos críticos para as empresas de água e saneamento tanto por causa de uma mais exigente regulamentação jurídica ambiental como também como por causa da necessidade de aumento da eficiência da exploração dos sistemas e incremento da segurança e informação ao consumidor e ao público em geral.

Actualmente, para além dos tradicionais programas de monitorização, tem-se vindo a assistir a um crescente investimento das empresas em sistemas de telegestão e telemetria que disponibilizam grandes quantidades de dados adquiridos em tempo real. Por outro lado existe uma utilização cada vez mais consistente de ferramentas de modelação para suporte ao planeamento e, de forma mais limitada, à operação. No entanto, apesar destes avanços ao nível tecnológico, continua a verificar-se um enorme deficit na utilização dos dados e na respectiva transformação em informação útil bem como na integração das ferramentas de modelação nas acções de gestão e operação diárias.

Tendo por objectivo tornar mais eficiente esta gestão e integração dos dados com ferramentas de previsão e diagnóstico e potenciar a utilização de informação em tempo real, foi desenvolvida a plataforma informática AQUASAFE. De acordo com os conceitos implementados na plataforma esta integração é feita gerindo de uma maneira uniforme os dados medidos (sensores, detecção remota) e os dados modelados (e.g. redes de distribuição de água ou de águas residuais, meio receptor, meteorologia, etc.).

Nesta Comunicação é apresentado um exemplo da implementação da plataforma AQUASAFE ao subsistema de Beirolas a qual tem por objectivo permitir uma gestão integrada dos caudais na rede de drenagem, da respectiva afluência à ETAR e, finalmente, da respectiva rejeição no estuário do Tejo.

Palavras-chave: Redes de saneamento, modelos, gestão da informação

1 INTRODUÇÃO

A SIMTEJO tem a seu cargo a gestão do sistema de saneamento em alta da cidade de Lisboa, nomeadamente, os subsistemas de Alcântara, Beirolas e Chelas. Estes subsistemas incluem redes separativas, unitárias e pseudo-separativas, de diversos materiais e secções, dispondo de diversos tipos de órgãos e infra-estruturas especiais, nomeadamente, descarregadores, estações elevatórias, sifões invertidos, válvulas de maré, válvulas de controlo de caudal, emissário submarino, poço de grossos e estações de gradagem, que contribuem para uma elevada complexidade de gestão.

Em condições de tempo húmido verifica-se uma afluência descontrolada de caudais pluviais que se traduzem em riscos de inundações, de entrada em carga de colectores e de transporte de elevadas quantidades de areias e sólidos grosseiros afluentes, com a consequentemente possibilidade de colapso operacional do sistema (cf. Figura 1).

Figura 1 – Afluência de caudais à ETAR.

Para fazer face a estas situações a SIMTEJO tem vindo a desenvolver estudos de diagnóstico do comportamento dos sistemas de drenagem, designadamente no que se refere à capacidade máxima do sistema de drenagem, à previsão teórica de descargas no meio receptor e ao controlo dos caudais máximos a interceptar e encaminhar para as ETAR, em condições de tempo húmido, em particular no subsistema de Beirolas.

Como projecto-piloto, tem igualmente desenvolvido abordagens sistemáticas e integradas para o subsistema de Beirolas, tendo em vista a beneficiação do comportamento hidráulico e ambiental do sistema de drenagem “em alta”, que visam aumentar o conhecimento das diversas componentes. Estas acções têm-se traduzido nomeadamente na aquisição de udómetros e medidores de caudal, na integração dos diversos sistemas de scada das estações elevatórias no sistema de telegestão, na utilização de ferramentas de modelação matemática e na monitorização dos meios receptores, sistemas de drenagem e da ETAR.

O projecto AQUASAFE constituiu um elemento fundamental para agregar todas estas componentes permitindo produzir respostas formatadas às necessidades específicas da operação e gestão. Este processo para além do suporte dos dados recolhidos no sistema, inclui o suporte dos resultados de modelos que permitem dotar a operação e gestão de capacidades acrescidas de diagnóstico e previsão. Os modelos são neste caso considerados como meros instrumentos de apoio e, consequentemente, a ferramenta AQUASAFE não está dependente de nenhum modelo específico podendo incorporar modelos que eventualmente já existam a funcionar nas empresas. O objectivo principal é sempre o de aumentar a produtividade e incrementar a segurança.

1.1 Integração de dados com ferramentas de modelação

Os sistemas de telemetria, ao permitirem adquirir um fluxo de dados em tempo real, constituem um valioso elemento de monitorização das condições de operação da rede mas, para a sua utilização ser efectiva, necessitam de ter associada uma capacidade de análise que permita extrair informação dos dados que estão a ser medidos. Esta capacidade de análise passa, numa primeira fase, pela existência de algoritmos que permitam “olhar” para o que está a ser medido, interpretar o valor, “aprender” com a acumulação de experiência e, em caso de necessidade, alertar o operador para alguma possível anomalia. Numa segunda fase, adicionando as capacidades de diagnóstico e previsão dos modelos, é possível passar para um nível mais elevado de extracção de valor das infra-estruturas de medida, melhorando a capacidade de “aprendizagem” do sistema que deixa de ser baseado somente em análises estatísticas para incluir relações causa-efeito. O sistema assim construído permite adicionar “sensores virtuais” para alargar os pontos de monitorização da rede e adicionar capacidade de previsão e simulação de cenários de intervenção.

Este é um dos aspectos fundamentais da plataforma AQUASAFE: uma estrutura que permite gerir todos os fluxos de informação necessários para obter uma resposta adequada no contexto da gestão de problemas típicos destes sistemas de drenagem (gestão de overflows, energia, funcionamento da ETAR, descargas de emergência, etc.). Os dados medidos são importados em tempo real e os modelos são executados periodicamente no modo de previsão ou a pedido no modo de cenário.

O AQUASAFE permite para além disso oferecer soluções sob medida capazes de utilizar a infra-estrutura já a ser operada pelo cliente (base de dados, sensores e estrutura do modelo numérico, etc.) e interfaces personalizadas de acordo com os perfis de diferentes utilizadores.

2 SUBSISTEMA DE BEIROLAS

O Subsistema de Beirolas abrange uma área total de aproximadamente 2730 ha divididos pelos Municípios de Loures e Lisboa, sendo confinado a Este pelo Rio Tejo, a Norte pelo Rio Trancão, a Sul, pela cumeada da bacia de drenagem das ribeiras de Chelas e a Oeste pela cumeada da bacia de drenagem da ribeira da Póvoa de Santo Adrião (cf. Figura 2).

Figura 2 – Subsistema de Beirolas.

A ETAR de Beirolas (cf. Figura 3) está localizada no Município de Loures e tem capacidade para tratar 54.500 m3/dia, incluindo tratamento de nível secundário por lamas activadas em biomassa dispersa, e tratamento de nível terciário, através da filtração e desinfecção do efluente. As águas residuais produzidas por 204.000 habitantes equivalentes são encaminhadas para a ETAR pelas seguintes infra-estruturas (“em alta”):

Interceptor de Apelação/Catujal/Sacavém, emissário de Solavesso, emissário do Bairro de Santiago, interceptor de Camarate/Sacavém, emissário do Casal do Muro, interceptor do Sacavenense, interceptor da Portela, interceptor de Figo Maduro/Quinta das Pretas (troço inicial), interceptor Praça da República Nascente, emissário de D1/Figo Maduro, interceptor de Calçado do Grilo/Beirolas e emissário de Moscavide;

Estação Elevatória EE18 de Sacavém, estação elevatória EE12 (Beirolas), estação elevatória EE13 (Beirolas), estação elevatória EE14 (Beirolas), estação elevatória EE15 (Beirolas), estação elevatória EE16 (Beirolas), estação elevatória EE17 (Beirolas) e respectivas condutas elevatórias.

Figura 3 – ETAR de Beirolas.

Actualmente o subsistema de Beirolas dispõe de diversas fontes de informação operacionais e funcionais do sistema, nomeadamente:

Um udómetro localizado na ETAR de Beirolas, com dados de precipitação de 2 em 2 minutos;

Cinco medidores de caudal no sistema interceptor com dados de caudal com período de amostragem de 5 min;

Scada em sete Estações Elevatórias (caudais e níveis);

Figura 4 – Instrumentação na rede.

Scada na ETAR;

Amostragem composta diária (estática) na ETAR;

Sonda de qualidade por espectrofotometria no afluente da ETAR, com amostragem de 2 em 2 minutos;

Modelo hidráulico calibrado do sistema de drenagem baseado no modelo Bentley SewerGems;

Modelo hidrodinâmico do estuário do Tejo.

3 OBJECTIVOS

Como se descreveu anteriormente, a SIMTEJO tem a seu cargo a gestão de sistemas de drenagem, que incluem todo o tipo de redes de drenagem com comportamento unitário, de diferentes materiais, secções, englobando vários componentes (overflows, sifões invertidos, todos os tipos de transições, etc.) e de diferentes idades, com uma vasta gama de problemas e possíveis soluções.

A problemática dos sistemas unitários corresponde à ocorrência de chuvadas intensas, traduz-se numa afluência de águas pluviais significativas ao sistema de drenagem, que resulta na ocorrência de inundações periódicas, com aporte de grandes quantidades de sólidos grosseiros e areia que podem conduzir ao colapso funcional do sistema. A somar a estes problemas juntam-se as características topográficas e geográficas de Lisboa, com a influência da maré na frente ribeirinha do centro Lisboa que implicam a colocação de válvulas de maré no sistema.

Analisando o tipo a localização da informação disponível, torna-se evidente que o processamento integrado da informação disponível não é compatível com a capacidade humana. Acresce o facto de se tratar de informação multidisciplinar, nomeadamente, hidrologia, hidráulica urbana, sistemas de tratamento e estuários, o que por si só implicaria no mínimo trabalho técnico especializado por cada disciplina referida.

De acordo com estas condições, desde 2002 têm vindo a ser efectuados vários investimentos na renovação e construção de novas infra-estruturas, na implementação de modelos matemáticos da rede de drenagem e do estuário, em sistemas de informação geográfica e sistemas de informação para as questões operacionais (monitorização e sistemas de facturação). Paralelamente a estes investimentos verificou-se uma melhoria significativa nas tecnologias de comunicação que tem vindo a permitir ter acesso de dados de telemetria a preços cada vez mais reduzidos.

Em resultado desta capacidade acrescida de coleccionar dados gerou-se uma necessidade de dispor de sistemas de informação mais eficazes que permitam transformar todos estes dados em informação efectivamente utilizável pelos operadores do sistema. Foi neste contexto que a SIMTEJO aderiu ao desenvolvimento da plataforma AQUASAFE disponibilizando os dados e a experiência de operação relativos ao sistema de Beirolas.

Tendo em consideração que a gestão do sistema implica lidar diariamente com os problemas associados à rede de drenagem (incluindo overflows, esgotos e estações de bombagem), à ETAR e às descargas no estuário do Tejo, foram identificadas necessidades específicas de gestão de informação a abordar com base na plataforma AQUASAFE:

Possibilitar à Simtejo dispor de simulações de modelos matemáticos (meteorologia, sistema de drenagem, meio receptor) em tempo real sem ter a necessidade de recorrer a conhecimento técnico especializado, minimizando-se os custos de exploração do sistema;

Previsão de eventos de overflow. Parte do sistema de drenagem de Lisboa é unitário e quando ocorrem eventos de chuva curtos e intensos geram-se frequentemente situações de overflow;

Previsão e avaliação das descargas não controladas no estuário Tejo. Estas descargas, quando ocorrem, necessitam de ser contabilizadas e reportadas em detalhe às autoridades ambientais competentes;

Planeamento de intervenções de manutenção, tendo em consideração a maré, previsão meteorológica;

Criação de histórico de dados que permita provar determinada situação no passado;

Comparação de valores de caudal teóricos provenientes do modelo vs valores recolhidos pelo medidor de caudal;

Possibilidade de análise de parâmetros num curto período de tempo sem recorrer a consultores externos para programação, por exemplo, comparação diária do CQO afluente à ETAR com as intensidades de precipitação registadas no udómetro de Beirolas;

Previsão dos fluxos de entrada para a ETAR, a fim de melhorar seu funcionamento, que inclui o tratamento secundário e produção de energia.

Verificação contínua do estado de funcionamento dos medidores de caudal. Os medidores de caudal são usados para a facturação, e por isso produzem uma informação de grande valor para a empresa, e a acumulação de detritos nas proximidades afecta frequentemente o desempenho. A contínua comparação entre as previsões do modelo e as medidas permite detectar atempadamente falhas ocasionais e accionar rapidamente os trabalhos de manutenção

Produção de relatórios integrados e apresentação, na sala de controle, de dados geograficamente dispersos (sistemas scada, estações de monitorização, análise de previsões dos modelo, etc) que geram fluxos de informação utilizáveis pela operação.

Criação de interfaces com o utilizador e mecanismos de corridas automáticas dos modelos que permitam uma utilização efectiva das ferramentas de modelação no contexto da operação diária. As ferramentas de modelação já estavam em uso mas normalmente limitadas a actividades de planeamento e verificava-se a necessidade de dotar a operação de capacidades de previsão em tempo real. A concretização deste requisito passou pela implementação de rotinas de execução periódica dos modelos, integração automática dos dados medidos para definição das condições de fronteira e métodos de validação automática (incluindo alertas de discrepâncias observadas entre os resultados do modelo e as medidas);

Desenvolvimento de interfaces suficientemente simples que permitissem que o sistema fosse gerido por não-especialistas.

4 SISTEMA DE GESTÃO DE INFORMAÇÃO

4.1 O conceito AQUASAFE

O conceito AQUASAFE consiste em desenvolver ferramentas e serviços especialmente dirigidos às empresas de fornecimento de água e de gestão de águas residuais urbanas que lhes permitam melhorar o conhecimento dos sistemas e por esse meio incrementar a eficiência da respectiva gestão. (cf. Figura 5). Pretende-se assim:

Desenvolver formas eficazes de monitorizar, optimizando recursos e custos;

Desenvolver capacidade de análise de dados nas dimensões espacial e temporal, convertendo-os em informação útil;

Desenvolver capacidade de diagnóstico e prognóstico através de ferramentas de modelação;

Implementar sistemas automáticos de alerta;

Utilizar toda a informação disponível para suportar a gestão (decisões sobre o funcionamento do sistema, obrigações legais e institucionais) e manter canais eficazes de comunicação.

Figura 5 – Arquitectura geral.

A plataforma AQUASAFE procura dar resposta a este tipo de solicitações com três focos muito importantes: o abastecimento de água, o saneamento e o uso balnear, tirando partido das mais recentes soluções tecnológicas que permitem agilizar o processo de integração e interacção de diferentes fontes de dados (sistemas scada, dados de monitorização, parâmetros de operação). e modelos, de forma a garantir capacidades acrescidas de diagnóstico e prognóstico.

A componente de reporting, constitui um aspecto de importância fundamental já que permite garantir tanto a resposta às obrigações institucionais e legais das entidades como assegurar a comunicação com o público através da publicação online da informação relevante sobre o sistema.

Com estas características o AQUASAFE está especialmente vocacionado para dar suporte à gestão e operação (em todo o tipo de utilizações que necessitem gerir dados para produzir informação) e permite disponibilizar em forma utilizável os dados adquiridos pela SIMTEJO e as previsões dos modelos e executar um conjunto de operações sobre estes dados (medidos e modelados) que permitem auxiliar de forma efectiva a operação.

4.2 Funcionalidades implementadas no subsistema de Beirolas

Como descrito na Figura 6 a plataforma AQUASAFE agrega as fontes de dados de sensores disponíveis na rede interna da SIMTEJO. Estes dados devidamente indexados podem ser utilizados tanto em relatórios como em condições iniciais ou fronteira dos modelos de águas residuais.

Figura 6 – Fluxos de informação.

Para complementar estes dados (caudalímetros, estação de qualidade e estações udométricas) a plataforma agrega dados externos de previsão meteorológica (modelo MM5 fornecido pelo Instituto Superior Técnico e Imagens de radar e satélite do instituto de meteorologia) e de circulação no estuário do Tejo (cf. Figura 7).

Figura 7 – Componentes do sistema a ter em consideração.

No que se refere à componente da meteorologia está implementada uma funcionalidade que permite ao utilizador comparar os valores de precipitação do Radar do Instituto de Meteorologia, com os udómetros disponíveis no SNIRH e na SIMTEJO, e ainda com os valores previstos no modelo meteorológico gerido pelo IST (cf. Figura 8), minimizando a análise efectuada pelo operador, nomeadamente por:

Comparação em tempo real do registo dos udómetros da SIMTEJO com o previsto no modelo MM5 a correr no IST;

Validação das intensidades dos udómetros da SIMTEJO com o radar do Instituto de Meteorologia e dos valores disponíveis no SNIRH.

Relativamente à componente do sistema de drenagem, recorrendo às fontes de dados meteorológicas, o AQUASAFE realiza simulações do modelo da rede de drenagem SewerGems de forma automática a cada 15 minutos para criar uma previsão de 2 dias e uma reanálise de 1 dia.

Para a análise de previsão de 2 dias a simulação utiliza os dados de previsão do MM5. Para o período passado definido pelo utilizador são utilizados os valores registados nos udómetros. Para além dos dados de precipitação é ainda possível comparar os valores de caudal de todas as simulações do SewerGems com os valores dos medidores de caudal da rede, estações elevatórias e da ETAR.

Figura 8 - Exemplo de um espaço de trabalho AquaSafe focado em dados e previsões de precipitação

A análise referida apenas se traduz em quantidade, sendo ainda possível comparar qualquer uma das variáveis de base ou resultados dos modelos com a sonda de qualidade em tempo real. Neste sentido, através desta funcionalidade é possível à SIMTEJO criar em poucos minutos:

Análises comparativas dos medidores de caudal com simulações do SewerGems;

Análises comparativas de CQO e SST com valores dos medidores de caudal e/ou com simulações do SewerGems;

Previsão do número, quantidade e localização de descargas para os próximos dois dias, na ocorrência de um evento de precipitação;

Planeamento de operação de manutenção de uma estação elevatória ou descarregador de tempestade;

Previsão do número, quantidade e localização de inundações para os próximos dois dias, na ocorrência de um evento de precipitação.

Figura 9 - Exemplo de um espaço de trabalho focado na análise de caudais medidos e modelados e número de descargas

Será importante realçar que é possível, em função da hierarquia funcional, definir três níveis de utilizadores, que contemplam informação mais ou menos técnica e detalhada. A título de exemplo, o nível mais avançado, poderá gerir cenários e forçar simulações do modelo matemático da rede, sendo que o nível mais básico, apenas terá uma escala de alarmes totalmente configurável, que poderá consistir simplesmente num aviso se está a descarregar ou não.

Após execução os resultados de modelação tornam-se numa nova fonte de dados que pode ser utilizada em alarmes e relatórios. Os alarmes foram configurados tendo em consideração volumes acumulados de precipitação, ocorrência de inundações, descargas no meio receptor, previsão de volume afluente à ETAR, valores de CQO, SST extremos e desvios entre valores de caudalímetros e modelados.

Figura 10 - Exemplo de um espaço de trabalho focado em alertas

Os relatórios têm como objectivo a preparação semanal das equipadas de manutenção preventiva e curativa, salvaguardar situações extremas (nível alto de maré em simultâneo com evento forte de precipitação), envio de elementos a entidades e apoio à gestão de topo empresarial.

4.3 Funcionalidades a serem implementadas no subsistema de Beirolas

Prevê a implementação até ao final de 2011 da funcionalidade de criação de cenários, que permitirá ao utilizador tirar o máximo proveito dos modelos matemáticos sem ter o conhecimento especializado, tendo apenas que definir conceitos básicos em termos de operação.

Está actualmente em curso o desenvolvimento da componente da modelação da ETAR, tendo em vista uma optimização na óptica da gestão integrada.

Atendendo à necessidade imperiosa da redução de custos operacionais energéticos nos sistemas multimunicipais de água e saneamento, está igualmente previsto o desenvolvimento da funcionalidade de optimização energética do sistema de drenagem e da ETAR.

5 AGRADECIMENTOS

O projecto AQUASAFE foi parcialmente financiado no âmbito do programa QREN ao abrigo do Programa Operacional de Lisboa, projecto nº 1560.