Análise de riscos em sistemas de abastecimento de água: uma abordagem via teoria de redes complexas
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Maria Mercedes Gamboa Medina
Edevar Luvizotto Junior
Edevar Luvizotto Junior
Resumo
As redes de distribuição de água (RDA), responsáveis por distribuir água em quantidade e qualidade adequadas, são vulneráveis à ocorrência de vazamentos, rupturas de tubos e intrusões de contaminantes. Estes impactam negativamente a hidráulica e a qualidade da água. Dessa forma, é importante que os atores de processos decisórios de diversas áreas, como planejamento e gestão da rede, identifiquem os elementos críticos da rede para elaborar estratégias mais assertivas de manutenção, contribuindo para a melhoria de desempenho do sistema e para prevenção de falhas. Com o propósito de identificar elementos críticos nos sistemas de abastecimento de água, este estudo visa realizar uma avaliação de risco relacionada a eventos como vazamentos, rupturas de tubulações e intrusão de contaminantes. Para atingir esse objetivo, a abordagem utilizada é a Teoria dos Redes Complexas (TRC), uma alternativa às abordagens convencionais, que se fundamentam na realização de múltiplas simulações hidráulicas por meio de softwares de modelagem. Vale ressaltar que, à medida que a extensão da rede aumenta, o tempo necessário para conduzir tais simulações sob essas abordagens tradicionais também cresce significativamente. A TRC é um ramo da matemática discreta que estuda as características (conectividade, robustez) de redes para analisar seu comportamento e dinâmica. Para realizar esse tipo de análise, a RDA pode ser modelada como uma rede complexa, em que nós de demanda, tanques e reservatórios são representados por vértices e as arestas fazem referência às tubulações, bombas e válvulas. Assim, a fim de avaliar a importância de tubos e nós, foram aplicadas métricas de robustez, redundância, centralidade e conectividade aos grafos, gerados pela abstração matemática das RDA. As três falhas foram modeladas pelo uso do software EPANET, para avaliar os impactos em relação aos parâmetros hidráulicos (pressão e vazão) e ao espalhamento de substância na rede. Em seguida, aplicou-se métricas de TRC, como cálculos de caminhos mais curtos entre vértices de fonte e de demanda de água para avaliar a importância dos tubos, e métricas de centralidade de vértices para avaliar a influência de nós na rede. Os resultados das simulações hidráulicas são comparados com os resultados da aplicação de métricas nos grafos. A convergência dos resultados indica uma redução de recurso e tempo computacional para analisar o risco em redes de distribuição de água destes três tipos de falhas.
Abstract
Water Distribution Networks (WDNs), responsible for distributing water in adequate quantity and quality, are susceptible to leaks, pipe ruptures, and contaminant intrusions, negatively impacting hydraulics and water quality. Therefore, it is crucial for decision-makers in various domains, such as network planning and management, to identify critical elements within the network to formulate more effective maintenance strategies, thereby enhancing system performance and preventing failures. With the aim of identifying critical elements in water supply systems, this study seeks to conduct a risk assessment related to events such as leaks, pipe ruptures, and contaminant intrusions. To achieve this objective, the approach employed is the Complex Networks Theory (CNT), an alternative to conventional methods relying on multiple hydraulic simulations through modeling software. It is noteworthy that, as the network's scope increases, the time required to conduct such simulations under traditional approaches also significantly escalates. CNT is a scientific discipline examining network characteristics (connectivity, robustness) to analyze its behavior and dynamics. To conduct this type of analysis, the WDN can be modeled as a complex network, where demand nodes, tanks, and reservoirs are represented as vertices, and edges correspond to pipes, pumps, and valves. In order to assess the importance of pipes and nodes, metrics of robustness, redundancy, centrality, and connectivity are applied to the graphs generated by the mathematical abstraction of WDNs. The three types of failures are modeled using the EPANET software to evaluate their impacts on hydraulic parameters (pressure and flow) and substance spreading in the network. Subsequently, CNT metrics, such as calculating shortest paths between source and water demand vertices to assess the importance of pipes, and vertex centrality metrics to evaluate node influence on the network, are applied. The results of hydraulic simulations are then compared with the outcomes of metric application on graphs. The convergence of results indicates a reduction in resources and computational time required to analyze the risk in water distribution networks for these three types of failures. This study contributes to advancing knowledge by proposing an innovative approach to risk assessment in WDNs, overcoming the limitations of conventional methods. By adopting CNT, more efficient analyses can be conducted, providing valuable insights for the development of targeted maintenance strategies, thus promoting the improvement of water distribution system performance and the prevention of failures.
Assunto
Engenharia sanitária, Recursos hídricos - Desenvolvimento, Teoria das redes complexas, Avaliação de riscos, Abastecimento de água - Manutenção e reparos
Palavras-chave
Mapa de risco, Ruptura, Vazamento, Intrusão de contaminante
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