Operação ótima de setores dinâmicos visando máximo desempenho hidráulico e de qualidade da água em redes de distribuição de água

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Tese de doutorado

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Helena Margarida Machado da Silva Ramos
Lubienska Cristina Lucas Jaquiê Ribeiro
Cristovão Vicente Scapulatempo Fernandes
Edevar Luvizotto Junior

Resumo

A divisão das Redes de Distribuição de Água (RDA) em setores, conhecida por setorização, permite efetuar uma melhor gestão das pressões de operação, a avaliação e controle de vazamentos, a redução da idade da água e um menor decaimento do cloro residual. O desenho e estabelecimento dos setores é caracterizado basicamente por duas etapas principais: o particionamento topológico do sistema e a alocação de dispositivos de controle (i.e., válvulas e medidores de vazão). No entanto, a melhora no gerenciamento de redes de abastecimento, muitas vezes, somente é possível pela alocação e operação ótimas destes dispositivos nas tubulações. Além disso, trabalhos na literatura relatam que a resiliência hidráulica e a qualidade da água em RDA com setores estáticos podem ser reduzidas, devido ao aumento dos percursos da água nas tubulações. Nesse contexto, o presente trabalho propõe uma nova metodologia para a criação e operação ótima de setores dinâmicos para formar e assegurar um abastecimento de água mais seguro e de maior qualidade para os consumidores. Estes setores dinâmicos correspondem a diferentes configurações de válvulas ao longo do dia para que as pressões possam ser mais controladas durante os períodos de menor demanda e a idade da água possa ser reduzida em horários de maior consumo. Para a elaboração do trabalho foram desenvolvidos algoritmos híbridos, formados pelos algoritmos de detecção de comunidades, já consagrados na literatura, Fast-Greedy, Louvain e Leiden, e pelo algoritmo Particle Swarm Optimization (PSO). Os algoritmos híbridos foram implementados em linguagem de programação Python e Matlab. Como estudos de caso foram consideradas as redes de referência Modena e KL adaptada, e as setorizações foram realizadas com base em otimizações simples de objetivo único (mono-objetivo). Os parâmetros considerados nos processos de otimização foram a uniformidade de pressão, a idade média ponderada da água acima de limite estabelecido e os custos de alocação de válvulas. Os resultados obtidos foram comparados atendendo a critérios hidráulicos, de custo e de modularidade (conectividade). Os algoritmos híbridos, constituídos tanto pelo algoritmo Louvain, como pelo Leiden, quando aplicados à etapa de particionamento, geraram uma melhoria do desempenho hidráulico, ou seja, RDA setorizadas com menores pressões e idade da água. O algoritmo híbrido Leiden-PSO gerou mais cenários de RDA setorizadas com maior redução de vazamentos. A comparação dos resultados entre setorizações estática e dinâmica mostrou que reduções muito maiores de pressões, de idade da água, de vazamentos e de consumo de energia para a setorização dinâmica, evidenciam a importância deste modelo de setorização na qualidade do abastecimento de água ao consumidor.

Abstract

The division of Water Distribution Networks (WDNs) in District Metered Areas (DMAs) allows a better management of pressures, a reduction of leakage and a reduction of the water age. The creation and design of DMAs is composed of two main stages: topological partitioning of the system and the allocation of control devices (valves and flow meters). However, improvements in the management of water supply networks are often only achievable through the optimal allocation and operation of these devices within the pipelines. In addition, studies reported in the literature indicate that the hydraulic resilience and water quality of WDNs with static DMAs may be reduced due to the increase in water travel paths within the pipelines. In view of this context, the present work proposes the creation and optimal operation of dynamic DMAs, aiming to develop a safer and higher-quality water supply for consumers. In this sense, this study proposes the implementation of different DMAs configurations throughout the day so that pressures can be better controlled during low-demand periods and water age can be reduced during peak consumption hours. To carry out this work, hybrid algorithms were developed by combining community detection algorithms, well established in the literature - Fast-Greedy, Louvain, and Leiden - with the Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm. The hybrid algorithms were implemented using the Python and MATLAB programming languages. As case studies, the benchmark networks Modena and adapted KL were employed, and the creation of DMAs was carried out through single-objective optimizations. The minimized hydraulic parameters were pressure uniformity, weighted average water age above a predefined limit, and valve allocation costs, while the obtained results were evaluated on hydraulic performance, cost, and modularity (connectivity) criteria. Overall, the hybrid algorithms incorporating both the Louvain and Leiden algorithms in the partitioning stage resulted in an improvement in hydraulic performance after optimal creation of DMAs, leading to WDNs with lower pressures and reduced water age. However, the Leiden-PSO hybrid algorithm generated a greater number of scenarios with higher leakage reduction after the creation of optimal DMAs. Furthermore, when comparing static and dynamic DMAs results, significantly greater reductions in pressures, water age, leakages, and energy consumption were observed for dynamic DMAs, highlighting the importance of this DMAs approach in improving the quality of water supply to consumers.

Assunto

Engenharia sanitária, Recursos hídricos - Desenvolvimento, Água - Distribuição, Água - Controle de qualidade

Palavras-chave

Algoritmos híbridos, Otimização, Redes de distribuição de água, Setorização dinâmica, Teoria de grafos

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