7 – Captação de Águas Superficiais 1 Introdução



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Aula 07 – Captação



7 – Captação de Águas Superficiais
7.1 Introdução
Entende-se por obras de captação o conjunto de estrutura e dispositivos construídos ou montados junto a um manancial, para a tomada de água destinada ao sistema de abastecimento. Os mananciais de superfície, os rios, os córregos, lagos e reservatórios artificialmente formados. Estes últimos, muitas vezes, são construídos como parte integrante do sistema de captação, visando assegurar a obtenção da vazão necessária.

As obras de captação devem ser projetadas e construídas de forma que, em qualquer época do ano, sejam asseguradas condições de fácil entrada da água e, tanto quanto possível, da melhor qualidade encontrada no manancial em consideração. Outrossim, deve-se ter sempre em vista, ao desenvolver um projeto, facilidades de operação e manutenção ao longo do tempo.

Por tratar-se, geralmente, de estruturas construídas dentro da água, sua ampliação é, por vezes, muito trabalhosa. Por isso, recomenda-se a construção das partes mais difíceis numa só etapa de execução, mesmo que isso acarrete maior custo inicial.

7.2- Captação de Rios

A captação de rios tem sido em muitas regiões do País, a forma mais usual de utilização das águas de mananciais de superfície para o abastecimento de cidades em extensas regiões do país. As obras são relativamente simples, na maioria dos casos.


Freqüentemente, os cursos de água no ponto de captação, acham-se localizados em cota inferior à cidade; por isso, as obras de tomada estão quase sempre associadas a instalações de bombeamento. Essa circunstância faz com que o projeto das obras de captação propriamente ditas, fique condicionado às possibilidades e limitações dos conjuntos elevatórios.

7.2.1- Exame prévio das condições locais
A elaboração de qualquer projeto de captação deverá ser precedida de uma criteriosa inspeção local, para exame visual prévio das possibilidades de implantação de obras na área escolhida.

Na falta de dados hidrológicos, devem ser investigados, cuidadosamente, nessa ocasião, todos os elementos que digam respeito às oscilações do nível de água entre períodos de estiagem ou de cheia e por ocasião das precipitações torrenciais, apoiando-se em informações de pessoas conhecedoras da região.

Quando não se conhecem dados sobre as vazões médias e mínimas do rio, torna-se necessária a programação de um trabalho de medições diretas. Através de correlações com dados de precipitações e de comparações com vazões específicas conhecidas de bacias vizinhas, é possível chegar-se a dados aproximados.

Deverá ser investigado, também, na inspeção local, se não existirem nas proximidades possíveis focos de contaminação e, igualmente, se a geologia ou a natureza do solo da região atravessada pelo rio favorece a presença de areia em suspensão na água. Serão colhidas amostras da água para exames de laboratório, complementando os que já tenham sido realizados.

A escolha preliminar do tipo de tomada poderá resultar dessa inspeção de reconhecimento, com base nas informações que forem colhidas. Seguem-se então, os trabalhos de levantamento topográfico detalhado da área circunvizinha às obras, de batimetria do rio e de sondagens geológicas.

7.2.2- Princípios gerais para a localização de tomadas
As obras de captação de um rio deverão ser implantadas, de preferência em trechos retilíneos do mesmo ou, quando em curva, junto à sua curvatura externa (margem côncava), onde as velocidades da água são maiores. Evitam-se, assim, os bancos de areia que poderiam obstruir as entradas de água. Nessa margem côncava as profundidades são sempre maiores e poderão oferecer melhor submersão da entrada de água.

É importante estabelecer, com bastante discernimento, as cotas altimétricas de todas as partes constitutivas das obras de captação, não perdendo de vista que:



  1. deverá haver entrada permanente de água para o sistema, mesmo nas maiores estiagens;

  2. havendo instalação de bombeamento conjugada à captação, os equipamentos, em especial os motores, deverão ficar sempre ao abrigo das maiores enchentes previstas;

  3. a distância entre a bomba e o nível de água mínimo previsto no rio, não deverá ultrapassar a capacidade de sucção do equipamento para as condições locais.

Também deverá ser considerada a necessidade de acesso ao local da captação, mesmo ocorrendo fortes temporais e inundações. Por essa razão, é, muitas vezes, contra indicada a construção de obras em terrenos baixos e próximos ao rio, mesmo que a estrutura em si fique ao abrigo das cheias. As estradas que conduzem ao local devem, igualmente, dar livre trânsito em qualquer época.

A maneira de levar energia elétrica até a captação, bem como seu custo, deve ser examinada no projeto com bastante cuidado.



7.2.3- Partes constitutivas de uma captação
Os elementos componentes de uma captação em um rio, Figura 7.1, compreendem essencialmente de:


  1. Barragens, vertedores e enrocamentos para manutenção do nível ou para regulação da vazão.

São obras executadas em rio ou córrego, ocupando toda a sua largura, com a finalidade de elevar o nível à montante e, com isso permitir que seja assegurada submersão permanente de canalizações, fundos de canaletas e válvulas de pé de bombas.

Em rios profundos, com grande lâmina de água no ponto de captação, dispensa-se a construção desses dispositivos.

O sistema mais simples consta de colocação de pedras no leito do rio, constituindo o que se denomina de enrocamento.

Os vertedores são estruturas especialmente projetadas, podendo ser de alvenaria de pedras, de concreto simples.

Tais dispositivos não devem ser confundidos com as barragens de regularização, que tem por finalidade armazenar a água em períodos de estiagem, quando as vazões reduzidas do curso seriam menores que a demanda do sistema abastecedor.

Figura 7.1- Elementos componentes de uma captação em rio.





  1. Dispositivos retentores de materiais estranhos (grades e caixas de areia).

Os materiais estranhos presentes na água devem ser impedidos de entrar para o sistema, compreendem: sólidos decantáveis, particularmente, a areia; materiais flutuantes e em suspensão, como folhas, galhos de árvores, plantas aquáticas, etc.; peixes, répteis e moluscos.

Os sólidos decantáveis que se mantém em suspensão devido à agitação ou velocidade de escoamento da água, são retirados por meio de dispositivos conhecidos por caixas de areia ou desarenadores.

Esses dispositivos asseguram um escoamento a baixa velocidade, com o que as partículas de areia decantam-se no fundo e são posteriormente removidas. Têm, geralmente, formato retangular e são dispostos transversalmente aos cursos de água.

Para o dimensionamento da caixa de areia, deverá ser estabelecido inicialmente o tamanho da menor partícula que se pretende eliminar. É comum exigir-se a remoção de partículas de diâmetro médio igual ou superior a 0,2 mm.

O cálculo baseia-se no princípio de que o tempo de sedimentação, desde a superfície até o fundo, deverá ser igual ao tempo de escoamento horizontal da água na caixa. Nessas condições, uma partícula que se encontra junto à superfície, ao entrar na caixa, portanto, em situação mais desfavorável, deverá atingir o fundo quando alcançar o fim da mesma. Outras partículas que se encontrarem abaixo, ao penetrarem no compartimento, atingirão o fundo antes de ter percorrido o trajeto (longitudinal) completo da caixa.



Figura 7.2- Planta e elevação de uma caixa de areia





v =

velocidade de sedimentação da areia

V =

velocidade de escoamento horizontal da água na caixa

h =

lâmina d`água

L =

comprimento teórico da caixa

b =

largura da caixa

S =

seção de escoamento (S = b x h)

A =

seção horizontal da caixa ( b x L)

Q =

vazão de escoamento (Q = S x V)

Pode-se escrever, partindo do princípio citado:


L = V x t ................................................................ Eq-7.1

h = v x t .................................................................. Eq-7.2


Dividindo membro a membro:
...................................................................Eq-7.3

.....................................................................Eq-7.4

................................................................. Eq-7.5

....................................................Eq-7.6

.....................................................................Eq-7.7

....................................................................Eq-7.8

Substituindo a Eq-7.8 na Eq-7.7 tem-se:



...................................................................Eq-7.9
Substituindo a Eq-7.9 na Eq-7.5 tem-se:

...................................................................Eq-7.10
A equação 7.10 mostra que o comprimento assim calculado independe do valor da lâmina h. Em outros termos, qualquer que seja o nível de água do manancial, será necessário o mesmo comprimento para a mesma vazão de escoamento e mesmo diâmetro de partícula que se pretende retirar.

Essa equação poderá ser escrita também da seguinte maneira:



..........................................................Eq-7.11
Isto é, a velocidade de sedimentação é representada pela taxa de escoamento, por unidade de superfície. Conhecendo-se a vazão e a velocidade de sedimentação, a caixa de areia ficará definida através da área:

..................................................................Eq-7.12

de onde se pode escolher, convenientemente, os valores de b e L que dêem o valor de A.

Na prática, devido à turbulência da água que ocorre na caixa e prejudica a sedimentação, é usual atribuir-se um comprimento maior que o obtido no cálculo. É comum admitir-se um acréscimo de 50%.

A Tabela 7.1 indica as velocidades de sedimentação de partículas de areia em água parada a 10oC . Com os valores assinalados, será possível dimensionar facilmente qualquer caixa de areia, de conformidade com as menores partículas que se pretende eliminar.

Tabela 7.1 – Velocidade de sedimentação de partículas discretas, com peso específico de 2,65 g/cm3, em água parada a 10oC, segundo Hazen.


Diâmetro da partícula (mm)

1,00

0,80

0,60

0,50

0,40

0,30

0,20

0,15

0,10

Velocidade

(mm/s)


100

83

63

53

42

32

21

15

8

É desejável construírem-se pelo menos, duas unidades paralelas para permitir os trabalhos de limpeza sem interromper o abastecimento.



Exercício 7.1
Uma caixa de areia a ser construída numa captação de água para 240 L/s, deverá reter partículas maiores ou iguais a 0,20 mm admitindo uma largura da caixa de 2,00 m, adotada por conveniência de limpeza, determinar o comprimento a ser adotado.
Solução:





Com um acréscimo de 50% admitido por segurança, chega-se a um comprimento real de:
C = 1,5 x 5,7 ≈ 5,8 m.
Para se evitar a passagem de sujeiras tais como folhas, galhos, etc. e animais, deve-se colocar uma grade na entrada da caixa de areia. Normalmente estas grades tem um espaçamento de 3 a 7 cm, entre barras.

c) Dispositivos para controlar a entrada de água
Destinam-se a regular ou vedar a entrada de água para o sistema, quando se objetiva efetuar reparos ou limpeza em caixa de areia, poços de tomada, válvula de pé, ou em tubulações.

São utilizadas para esse fim:



comportas: são dispositivos de vedação constituídos, essencialmente, de uma placa movediça, que desliza em sulcos ou canaletas verticais. São instaladas, principalmente, em canais e nas entradas de tubulações de grande diâmetro.

Figura 7.3 – Comporta do tipo Stop-log, indicada para pequenas instalações


válvulas ou registros: as válvulas, também conhecidas por registros, são dispositivos que permitem regular ou interromper o fluxo de água em condutos fechados. São fabricados com maior precisão e permitem controlar a vazão com certa facilidade, quando isto for necessário.

Figura 7.4 – Válvula

Em obras de captação, as válvulas são empregadas, principalmente, quando se pretende estabelecer uma vedação no meio do trecho formado por uma tubulação longa.

adufas: são peças semelhantes às comportas, e são ligadas a um segmento de tubo. A placa de vedação é movimentada por uma haste com rosca existente na própria armação da placa, ficando, portanto, imersa em água. A movimentação da haste rosqueada é feita por barra de prolongamento, permanente ou removível.


Figura 7.5- Adufa


d) Canais e tubulações de interligação
A ligação entre um rio e caixa de areia ou poço das bombas, quando esta estiver localizada em ponto afastado das margens, é feita por meio de canais abertos ou tubulações fechadas.

A ligação direta por meio de tubos é mais comum quando a tomada é feita no meio do rio ou, quando as margens forem muito elevadas em relação ao nível da água.

Nos demais casos, pode-se optar, vantajosamente, por um canal a céu aberto. Aconselha-se, entretanto, que o mesmo seja revestido, para facilitar os trabalhos de limpeza e conservação.

Qualquer que seja o tipo de conduto, deverá ser dimensionado para dar escoamento à vazão de captação atual e futura, sem ocasionar perda de carga apreciável. Como dado básico, poderão ser tomadas velocidades de escoamento compreendidas entre 0,3 m/s e 1,00 m/s. Deve-se observar que as velocidades muito baixas provocarão deposições de material sedimentável. Se as vazões atual e futura forem muito discrepantes, deverão ser projetados condutos em paralelos, para serem construídos por etapas.

O canal de derivação nada mais é, como o nome está a indicar, do que o desvio parcial das águas de um rio a fim de facilitar a tomada.

Figura 7.5- Captação através de canal de derivação com caixa de areia

O canal de regularização, é empregado para uniformizar o leito numa determinada extensão do curso d`água, através de revestimento de alvenaria de pedra ou concreto, permitindo assim que se lance mão de um recurso para elevar o nível da água.

e) Poços de tomada

Os poços de tomada destinam-se, essencialmente, a receber as tubulações e peças que compõem o trecho de sucção das bombas. Deverão ter dimensões apropriadas em planta e em elevação, para facilitar o trabalho de colocação ou reparação das peças e para assegurar a entrada de água ao sistema elevatório, qualquer que seja a situação do nível no rio.

Como a entrada de água para tubulação de sucção das bombas exige uma submersão equivalente a um mínimo de 3 diâmetros da mesma tubulação, o poço de tomada deverá ter seu fundo suficientemente rebaixado em relação aos condutos de acesso da água.

O projeto deverá prever condições que evitem a formação de remoinhos (vórtex) no interior do poço de tomada; para isso há necessidade de se estudar convenientemente o ponto de entrada da água, em função da posição das tubulações ligadas à bomba, ou da própria bomba, quando esta for do tipo de eixo prolongado, montado no próprio poço.


f) Torre de tomada
Dispositivo para captação em represas e lagos, ou rios com grande oscilação de nível, constituída de uma estrutura fechada contendo diversas entradas de água, localizadas em cotas diferentes, e comandadas da parte superior.
7.3- Captação de águas subterrâneas
7.3.1 – Caixa de tomada

Dispositivo destinado tanto a proteger o manancial aflorante (fonte) como facilitar a tomada de água.


Figura 7.6 – Caixa de tomada com dois compartimento, o segundo para permitir a inspeção sem perigo de poluição da água




7.3.2- Galerias filtrantes
As galerias filtrantes são dispositivos destinados a captar água do lençol freático ou infiltração de rio.

Figura 7.7- Galeria filtrante com tubulação envolvida por pedregulho, destinado a dificultar o arraste de areia



7.3.3- Drenos
São dispositivos destinados a captar água do lençol freático quando este encontra-se próximo a superfície, ou mesmo aflorante.

Figura 7.8- Traçado das tubulações nos tipos de drenos

7.3.4- Poços escavados

São dispositivos destinados a captação de água do lençol freático, quando este se encontra a pequena profundidade (até 20 m); dependendo da vazão que se deseja, da profundidade e da capacidade do lençol freático e da natureza das camadas do terreno.








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