Otimização de manobras para localização de vazamentos em redes de distribuição de água: uma abordagem baseada em transitórios lentos

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Tese de doutorado

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Cristovão Vicente Scapulatempo Fernandes
Dídia Isabel Cameiras Covas
Edevar Luvizotto Junior
Iran Eduardo Lima Neto

Resumo

Nos últimos anos, a escassez de água tem se tornado um desafio global, afetando tanto o abastecimento humano quanto setores econômicos críticos, como a geração de energia hidrelétrica no Brasil. Nesse cenário, a gestão eficiente do recurso hídrico é fundamental para reduzir perdas, diminuir custos operacionais e garantir a disponibilidade de água para a população, considerando que as perdas em redes de distribuição ainda apresentam índices elevados. Assim, este estudo propõe uma metodologia para detecção e localização de vazamentos de pequena magnitude (aproximadamente 1 L/s) em redes de distribuição de água, baseada em transientes hidráulicos gerados por manobras lentas e controladas, simuladas com o Modelo Dinâmico Inercial Rígido (MDIR) com abordagem dividida em três etapas: i) A metodologia é estruturada em três etapas principais: (i) modelagem hidráulica, em que o simulador foi implementado em Python para os regimes permanente e transitório; (ii) avaliação das manobras e alocação de sensores, conduzida por meio de análises de sensibilidade das variáveis hidráulicas (pressão e vazão); e (iii) localização dos vazamentos, realizada por otimização meta-heurística (PSO), estimando simultaneamente pela calibração da posição e a intensidade do vazamento a partir das respostas transitórias. Nos três estudos de caso (Two-loop, BLA e Modena), observou-se que as tubulações com maiores velocidades e vazões apresentaram maior sensibilidade às manobras, o que permitiu reduzir o espaço de busca e, consequentemente, a quantidade de simulações necessárias. A análise de sensibilidade também orientou a alocação dos sensores, indicando regiões com maior concentração de sensibilidade e evidenciando a necessidade de algoritmos agrupamento para garantir a adequada distribuição espacial dos sensores e cobertura da rede. Os resultados da alocação de sensores apresentaram desempenho superior ao relatado na literatura, com maior sensibilidade e abrangência, especialmente na detecção de vazamentos de pequena magnitude. Quanto à localização, parte dos vazamentos simulados foi identificada corretamente, enquanto outros convergiram para nós vizinhos, com pequenas variações nos parâmetros hidráulicos. Por fim, considerando erros de calibração de até 10% simultaneamente na demanda e na rugosidade, os resultados mantiveram convergência para posições próximas ou dentro da área de cobertura dos sensores. Logo, a abordagem proposta mostrou-se adequada para detecção e localização de vazamentos de aproximadamente 1L/s de magnitude, apresentando melhor desempenho quando associada à análise em condição de vazão mínima noturna.

Abstract

In recent years, water scarcity has become a global challenge, affecting both human water supply and critical economic sectors such as hydroelectric power generation in Brazil. In this context, efficient water resource management is essential to reduce losses, lower operational costs, and ensure water availability for the population, considering that water distribution networks still exhibit high loss rates. Therefore, this study proposes a methodology for detecting and locating small-scale leaks (approximately 1 L/s) in water distribution networks, based on hydraulic transients generated by slow and controlled maneuvers, simulated using the Rigid Inertial Dynamic Model (MDIR). The proposed methodology comprises three main stages: (i) hydraulic modeling, in which a simulator was implemented in Python for both steady-state and transient flow regimes; (ii) maneuver assessment and sensor placement, conducted through sensitivity analyses of hydraulic variables (pressure and flow rate); and (iii) leak localization, performed through metaheuristic optimization (PSO), estimating both the leak position and intensity simultaneously through transient response calibration. In the three case studies (Two-Loop, BLA, and Modena networks), it was observed that pipes with higher velocities and flow rates exhibited greater sensitivity to maneuvers, allowing a reduction in the search space and consequently in the number of required simulations. The sensitivity analysis also guided sensor placement, identifying regions with higher sensitivity concentration and highlighting the need for clustering algorithms to ensure adequate spatial distribution and network coverage. The proposed sensor allocation approach outperformed those reported in the literature, providing greater sensitivity and spatial coverage, particularly in detecting small-scale leaks. Regarding localization, part of the simulated leaks was correctly identified, while others converged to neighboring nodes, with only minor variations in hydraulic parameters. Finally, when calibration errors of up to 10% were simultaneously introduced in demand and roughness, the results remained convergent to positions close to or within the sensor coverage area. Therefore, the proposed approach proved effective for detecting and locating leaks of approximately 1 L/s, achieving better performance when applied under minimum night flow conditions.

Assunto

Engenharia sanitária, Recursos hídricos - Desenvolvimento, Água - Distribuição, Transitórios hidráulicos, Detectores de vazamento

Palavras-chave

Regime transitório, Modelo rígido, Manobras lentas, Localização de vazamentos

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