6.1 Introdução

Entende-se por mananciais superficiais os cursos d´água (rios, córregos), os lagos e reservatórios.

A escolha do manancial depende de: - localização;

- condições sanitárias;

- qualidade física química e bacteriológica;

- vazão mínima (atender Q máxima diária do fim do plano);

- variação do nível;

- facilidade de captação (topografia, geologia e acesso).

As obras de captação devem ser projetadas, tendo em vista: a. o seu funcionamento ininterrupto durante qualquer época do ano; b. permitir a retirada de água para o sistema de abastecimento em quantidade suficiente ao abastecimento e com melhor qualidade possível; c. permitir o acesso durante todo o tempo, para a operação e manutenção do sistema.

Na maioria das vezes o manancial encontra-se em cota inferior à da cidade. Nesse caso, as obras de captação são associadas de obras de estação elevatória, devendo o seu projeto dar condições ao bom funcionamento das bombas.

Basicamente, há 3 tipos de captação: a. em mananciais com pequena variação de nível dágua; b. em curso dágua com grande variação do nível dágua; c. em reservatórios de acumulação; como neste caso, há também grande variação do nível dágua, os itens b e c apresentam soluções semelhantes.

6.2 Captação em cursos dágua com pequena variação de nível 6.2.1 Partes constitutivas

Quando a vazão a ser retirada é menor que a vazão mínima do manancial, a captação é feita a fio d´água. Quando existem períodos do ano em que essa vazão é maior, haverá necessidade de construir um reservatório de regularização. Neste caso, a vazão média do rio deve ser maior que a vazão a ser retirada.

Os esquemas de instalação variam de acordo com as condições do rio, da variação do seu nível, topografia, etc. A figura 6.1 da página seguinte mostra um esquema típico de captação.

Descrição dos principais órgãos constituintes:

a. Barragem de elevação de nível

É uma barragem construída ao longo de toda a seção do curso d´água para manter o nível mínimo da água em cota tal que garanta a submergência adequada. É recomendada a barragem com altura mínima de 1m e com perfil tipo Creaguer, já que este tipo de barragem provoca pouca erosão.

Figura 6.2 – Barragem de elevação de nível.

O vertedor deve ser calculado para a vazão máxima do rio, estudada para um período de recorrência de 50 a 100 anos.

2/32,2HLQrio××=(Fórmula de Francis) (6.1)

onde L = largura do vertedor em m, H = altura da lâmina sobre o vertedor em m.

Esquematicamente:

Figura 6.3 b. Tomada dágua

É a estrutura ou dispositivo para a captação da água. Pode ser uma tubulação no curso dágua ou um canal que desvia a parte de água do rio para a captação.

Figura 6.4

Para o dimensionamento do canal, utilizar as seguintes equações: · continuidade à Q = V.A

• Manningà
2/13/2×=n concreto = 0,013

c. Gradeamento

¤ Objetivo: retenção de sólidos grosseiros em suspensão, que devem ser impedidos de entrar no sistema (folhas, galhos, peixes, répteis e outros). A figura 6.5 abaixo mostra uma grade de proteção do dispositivo de captação.

Figura 6.5 – Grade de proteção na captação.

• Quanto ao espaçamento: 1. grossa - e = 3 a 10 cm;

3. Fina- e = 1 a 2 cm.
te

2. Média - e = 2 a 4 cm; • Quanto às barras:

d. Caixa de areia

Dispositivo para a retenção de areia em suspensão, que não devem seguir ao longo do sistema. A retenção da areia é feita em decantadores, que são estruturas onde a água passa com velocidade reduzida havendo um processo de sedimentação.

e. Dispositivo de controle

São comportas e válvulas que permitem controlar o fluxo da água e permitir a operação do sistema.

f. Canais e tubulações de interligação Ligam as diversas partes da captação.

6.3 Captação em mananciais com grande variação de nível

A tomada dágua é feita por torres de tomada, que possibilitam a retirada de água em diversas profundidades (figura 6.6).

Em reservatórios, na superfície existe a possibilidade de formação de algas que conferem gosto e cheiro à água. Desta forma, a tomada deve ser sempre construída a uma certa profundidade, porém não muito próximo ao fundo, já que as camadas inferiores podem conter matéria orgânica em decomposição. Por esses motivos, nos reservatórios os dispositivos de tomada devem possibilitar a captação em diversas profundidades (figura

6.7).

Figura 6.6 – Tomada d’água em rios com grande variação de nível.

Figura 6.7 – Tomada d’água em represas.

6.4.1 Dimensionamento das grades

Vmin = 0,30 m/s (para que não ocorra sedimentação)
Vmax = 0,60 m/s (para não ocorrer carreamento de material)
• Seção útil:Su = n.e.H
onde Su – seção útil do escoamento;

H – lâmina líquida;

e – espaçamento;
n – número de espaço entre barras

Œ Recomenda-se Hmín = 0,50 m Œ Considerando-se:

1. V = velocidade de passagem na grade ( V £ 0,60 m/s)

2. Qf = vazão de bombeamento ou captação (final de plano)

Qf(6.2)
como Su = n.e.H, a equação acima fica Qf = n.e.H.V

3. Continuidade: Qf = Su.V Œ Ao instalar a barra a face menor deverá estar frente ao fluxo.

onde t = espessura ou f da grade.

¤ Largura útil na grade: LT = (n+1).t + n.e ¤ Perda de carga na grade

Dessa forma:

ufS

2V2

• A perda de carga pode ser calculada pela fórmula de KIRSHEIMER:

gVt e

×=ab(6.3)

sen 2 onde a = ângulo que a grade forma com a horizontal;

- barra retangularb = 2,42
- barra retangular (cantos arredondados)b = 1,83
- barra circularb = 1,78

b = coeficiente em função do formato das barras:

Figura 6.8 Exemplo: dimensionamento de uma grade.

P = 50.0 hab. q = 200 l/hab./dia

K1 = 1,2 Perda na ETA = 4%

ggufVHenVSQ×××=×=adotando-se: H = 0,50 m
e = 0,02 m

Vg = 0,60 m/s - Área de cada espaço: 0,50 x 0,02 = 0,01 m2

f u V

LT = (24 + 1) x 0,01 + 24 x 0,02 = 0,72 m > 0,60 mOK!

- Se adotarmos Lcanal = 0,80 m

m/s 0,30m/s 36,0@==canal

f canal S

VOK!

- Número de grades:

LT = 0,80 = (n + 1).t + n.e \ n = 26 Su = n.e.H = 26 x 0,02 x 0,50 = 0,26 m2

m/s 0,56m/s 56,0@==ugradeS
a = 60°à hf = 0,05 m

- Para 50% obstruído: V’ = 1,12 m/s

6.4.2 Dimensionamento do Poço de Sucção

Uma vez determinado o número de bombas necessário e o diâmetro das tubulações de sucção, as NB recomendam como dimensões mínimas as indicadas na figura 6.9.

Poço de sucção em planta.

Poço de sucção em corte. Figura 6.9 – Poço de sucção.

A altura geométrica de sucção hs deve ser tal que: NPSHdisp. > NPSHreq. + folga recomendada pelo fabricante.

Essa relação mostra que a posição do eixo das bombas e o nível mínimo da água são interdependentes.

6.4.3 Cálculo da Cota do Nível d’água em Cada Parte da Captação

Considerando a figura 6.1.

a. Localizadas:

onde K é o coeficiente de perda localizada e V é a velocidade do fluxo. A tabela abaixo mostra os valores usuais de K, aproximados:

Tabela 6.1 – Valores de K para diferentes singularidades.

Singualaridade K Redução excêntrica 0,4

Válvula de pé c/ crivo 2,0 Entrada na tubulação 0,5

Entrada no poço de sucção 1,0

Saída da caixa de areia 1,0 Comportas abertas 1,5

- Perdas de carga através das grades:

g V onde V1 é a velocidade através das grades 50% sujas;

V2 é a velocidade a montante das grades;

Kg é o coeficiente de perda de carga nas grades (Kg = 0,7). b. Ao longo das tubulações

Quando as tubulações são extensas, a perda de carga distribuída pode ser calculada pela fórmula de Hazen-Williams:

J × = e DH = J x L onde J é a perda de carga unitária em m/m, Q é a vazão em m3/s, D é o diâmetro em m, L é o comprimento em m e C é o coeficiente de rugosidade de Hazen-Williams.

As Normas Brasileiras sugerem a utilização da fórmula universal:

gVD

L fH onde V é a velocidade em m/s, D é o diâmetro em m, L é o comprimento em m e f é o fator de atrito, que depende da rugosidade da tubulação, diâmetro e viscosidade cinemática do fluido.

O cálculo dos níveis d’água é feito do poço de sucção para montante, até se chegar à cota mínima em que se deve ficar o nível d’água no manancial; por comparação com as cotas naturais do rio, pode-se verificar se há ou não necessidade da construção de barragem de nível.

No caso de condutos livres, a perda de carga pode ser calculada pela fórmula de Manning:

iQ××= e DH = i x L

onde Q é a vazão em m3/s, L é o comprimento em m, i é a declividade em m/m, A é a área da seção de escoamento em m2, RH é o raio hidráulico em m e n é o coeficiente de rugosidade de Manning.

6.4.4 Dimensionamento da Caixa de Areia

Finalidade de remoção da areia. - Evitar abrasão;

Deve haver no mínimo duas unidades (uma para manutenção).

A PNB recomenda dimensionar cada câmara para a vazão máxima a ser aduzida (gravidade ou por bombeamento).

Deve ser adotado o caso mais crítico de lâmina d´água, isto é, para o nível de água mínimo no rio.

As caixas de areia podem ser de limpeza manual ou mecanizada. No caso de limpeza manual devem possuir um espaço adequado para acúmulo do material, chamado “espaço morto”.

A quantidade a depositar vai depender das condições do rio, bacia hidrográfica, freqüência da chuva, etc.

Para efeito do projeto adotar o valor mínimo de 0,2 m3/dia e 0,8 m3/dia de máximo como taxa de sedimentação.

Dimensionamento de Caixas de Areia: São dimensionadas para reter partículas de diâmetro ‡ 0,2 m.

Partículas f ‡ 0,2 m100% de remoção

Velocidade de sedimentação = 0,02 m/s dessas partículas

Figura 6.10 – Caixa de areia.

Velocidade horizontal máxima = 0,30 m/s. Se V < 0,30 m/s à deposita matéria orgânica

V > 0,40 m/s à não deposita areia

Se a partícula mais alta e mais distante de deposita à garante-se que todas as demais irão se depositar.

Para remover 100% de partículas de 0,2 m à o tempo que a partícula leva na vertical deve ser o mesmo da horizontal, ou seja,

t

V t

Ve

H t

Para partículas de areia de f ‡ 0,2 m: VH = 0,30 m/s e VS = 0,02 m/s

02,030,0=Þ L = 15 H

Admitindo coeficiente de segurança de 50% para compensar efeitos de turbulência ou caminhos preferenciais da água por influência da distribuição de entrada, tem-se: L = 2,5 H

NA
Ñ
VH

Área superficial da caixa = L x B

VS H
hacum (esta altura depende da taxa
de sedimentação)
Deposição da areiaL

Largura da caixa B Da equação da continuidade Q = S.V, tem-se:

Q = B.H.V ou B = Q/H.V onde Q é a vazão final de projeto destinada a passar em cada câmara.

O Projeto de Norma Brasileira (PNB-589) estabelece larguras mínimas para as caixas de areia em função de sua altura total ou profundidade, a fim de facilitar acesso e limpeza:

ProfundidadeLargura mínima (B)
1 m 0,60 m
1 a 2 m 0,90 m
2 a 4 m 1,20 m
4 m 2,0 m

Taxa de escoamento superficial (QS):

QS×=600 £ QS £ 1.200 m3/ m2.dia

Geralmente adota-se a lâmina mínima h e a largura B e verifica-se VH, L e taxa superficial QS.

Exemplo de dimensionamento:

Nº. de câmaras = 2

Q de cada câmara = 200 l/s Adota-se: H = 0,50 m

Considera-se: VH = 0,30 m/s

m VH

Pela tabela, a profundidade pode ser até 4,0 m. Por conveniência B pode ser 1,5 a 2,0 m. Adotando-se B = 2,0 m, tem-se:

m/s BH

Como HVL VSH=, tem-se:

Þ L = 5,0 m x 1,5 Þ L = 7,5 m

Taxa superficial: diamm

OK !

Adotando-se a taxa de sedimentação de 0,5 m3/dia com limpeza a cada 2 dias: Vacum = 0,5 x2,0 = 1,0 m3 Vacum = L x B x hacum = 7,5 x 2,0 x hacum Þ hacum = 0,07 m

Dimensionar uma captação que tem esquema idêntico ao da figura 6.1 da apostila, considerando as seguintes condições:

- vazão: 10 l/s; cota do NA mínimo: 98,0 m; do fundo: 97,0 m; do NA máximo: 9,50 m;

- NPSH requerido pelas bombas: 4,5 m;

- Cota do terreno: 10,0 m;

- Cota do eixo da bomba: 100,50 m;

- Extensão da adutora por gravidade: 100 m; diâmetro da adutora: 250 m;

- Velocidade da água na tubulação de sucção da bomba: 1,5 m/s; extensão da tubulação de sucção: 7 m; diâmetro da tubulação: 300 m;

- Velocidade máxima na caixa de areia: 0,3 m/s;

- Grade grossa: barra de 15 cm de largura; espaçamento: 10 cm;

- Grade fina: barra de 2,0 cm de largura; espaçamento: 2,5 cm;

- Caixa de areia com 2 câmaras, uma para 100 l/s; comportas quadradas a serem dimensionadas;

- pa/g = 10,3 m; pv/g = 0,6 m; - rugosidade das tubulações: k = 0,15 m;

Solução:

a. calcular a cota do NAmin no poço de sucção para o bom funcionamento da bomba, a partir daí, cota do eixo da bomba.

NPSHdisp > NPSHreq + 1 m fi NPSHdisp = 4,5 + 1 = 5,5 m

NPSHdisp = pa/g - pv/g - hs - DHs Cálculo a altura de sucção (hs):

hs = pa/g - NPSHdisp - pv/g - DHs Cálculo das perdas na sucção (DHs):

Perdas localizadas: g

2 =l fi V = 1,5 m/s

SingularidadeK
Entrada na tubulação0,5
Válvula de pé com crivo2,0
Curva de 90°0,3
Redução excêntrica0,4
Total3,2

gVD

L fH

kf \ f = 0,017

Perda total na sucção: DHs =0,37 + 0,05 \ DDHs = 0,42 m

Altura de sucção: hs = 10,3 – 5,5 – 0,6 – 0,42 \ hs = 3,81 m no máximo. Cota do NA mínimo no poço de sucção:

NAmin = 100,50 – 3,81 = 96,69 m (NA4) b. Perda de carga na adutora por gravidade

SingularidadesK
Entrada na adutora0,5
Saída no poço de sucção1,0
Total1,5

- localizadas:

- perda total: DHa = 1,4 + 0,32 = 1,76 m c. NA na saída da caixa de areia 96,69 + 1,76 = 98,45 m (NA3) d. Comportas da caixa de areia

O que vai dar 0,38 x 0,38 ® adotar 0,40 x 0,40

NA à montante da caixa de areia: 98,48 + 0,03 = 98,51 m

e. NA na caixa de areia: 98,45 + 0,03 = 98,48 m (NA2) f. Canal de acesso

Como a extensão é pequena, a perda de carga nesse trecho é desprezível. A velocidade no canal deve ser suficientemente elevada para não haver deposição de areia (V ‡ 0,75 m/s).

V adotada = 0,75 m/s

Largura do canal: 0,60 m (adotado)

g. Perda de carga na grade fina

Cálculo do número de grades e espaços: Espessura da barra = 0,02 m; espaçamento = 0,025 m

L = (n+1).t + n.e fi 0,6 = (n+1) x 0,02 + n x 0,025 fi n = 13

\ Para a largura de 0,6 m resultará 13 barras de com 0,02 m de espessura, espaçadas de 0,025 m.

Velocidade através das barras: m/s 30,1

Velocidade à montante das barras: m/s 75,0

V KGF0,2 m

Cota do NA à montante da grade fina: 98,51 m + 0,2 = 98,73 m h. Perda de carga na grade grossa

Cálculo do número de grades e espaços: Espessura da barra = 0,15 m; espaçamento = 0,10 m

L = (n+1).t + n.e ® 0,6 = (n+1) x 0,15 + n x 0,10 fi n = 2

Velocidade através das barras: m/s 52,1

Velocidade à montante das barras: m/s 75,0

V KGG0,13 m

Cota do NA à montante da grade grossa: 98,73 m + 0,13 = 98,86 m

Como a cota do NA resultante é maior que o NA mínimo, haverá necessidade de pequena barragem de elevação de nível. Recomenda-se que essa elevação seja feita com folga, para a maior segurança. Sugere-se:

Altura da barragem = 98,86 + 0,10 – 97,0 = 1,96 m i. Dimensionamento da caixa de areia

Deseja-se que a caixa de areia sedimente partículas com diâmetro igual ou maior a 0,2 m. A velocidade de sedimentação de uma partícula de areia com esse diâmetro é de 2 cm/s.

Área da superfície de cada câmara:

Velocidade na caixa de areia: 0,3 m/s

Vh
Adotando a largura (L) de 0,8 m:L

Comprimento da caixa: A = C x L fi m 25,6

Por segurança, adota-se 50% de folga \ C = 6,25 x 1,5 = 9,4 m

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