Modelação Matemática como Ferramenta de Gestão e Exploração de Sistemas de Distribuição de Água

Abstract

A redução das perdas em sistema de distribuição de água, até níveis considerados economicamente viáveis e tecnicamente aceitáveis, constitui um dos principais objectivos para a maior parte das Entidades Gestoras de serviços públicos de abastecimento de água, tendo em vista alcançar a médio e longo prazo a sustentabilidade do serviço prestado. Esta realidade tem vindo a ser evocada a nível internacional, e, em Portugal, está consagrada no PEAASAR 2007-2013, que fixa a necessidade de reduzir as perdas de água para valores inferiores a 20% (Objectivo operacional 2). Neste contexto, a implementação de Zonas de Medição e Controlo (ZMC), sectorização do sistema em subsistemas de menor dimensão, pode dar um excelente contributo para atingir esses objectivos. Embora a sectorização da rede não permita directamente o controlo das perdas, acaba por ser um instrumento crucial no que concerne à sua detecção, caracterização e distribuição espacial. Além disso, facilita a implementação de estratégias activas de controlo de perdas, o estabelecimento de prioridades de intervenção na rede, a gestão das pressões ao longo do dia em função dos consumos, o controlo da facturação e monitorização de parâmetros relacionados com a qualidade da água. Partindo deste pressuposto, duas novas metodologias são propostas neste trabalho como ferramentas de gestão e exploração de sistemas de distribuição de água. Sabendo que a ocorrência de perdas de água, na sua grande maioria, ocorre na rede de distribuição nos ramais de ligação, a primeira metodologia proposta baseia-se num modelo matemático de simulação hidráulica e nas melhores práticas internacionais para gestão das perdas de água através da redução da pressão à entrada do sistema ou subsistema (mais comum na prática). Esta metodologia permite estimar os benefícios económicos directos originados pela redução da pressão na rede, particularmente em termos da redução da produção de água. No entanto, outros benefícios, como por exemplo, a redução da frequência de roturas, redução dos custos de controlo activo de fugas, a redução do consumo de energia e a redução do número de reclamações de utilizadores, podem ser adicionados. Além disso, pode ser ainda usada para definir o nível económico de perdas, ou seja, o nível a partir do qual não haverá mais interesse económico em reduzir as perdas de água. A segunda metodologia proposta neste trabalho está relacionada com o estudo de viabilidade e sustentabilidade do projecto de sectorização de redes de distribuição de água, incluindo a gestão da pressão ao longo da rede e durante o horizonte de projecto. Além disso, pode ser usada para planear os investimentos necessários em diferentes momentos, durante o horizonte de projecto, de acordo com as reais necessidades e os recursos financeiros da Entidade Gestora. Baseia-se na teoria dos grafos (algoritmo de Floyd-Warshall) para definir a geometria ou limites entre ZMC, e num algoritmo de optimização (baseado na meta heurística Simulated Annealing) ligado a um simulador hidráulico em regime quase-permanente para estudar as condições de fronteira entre ZMC, tal como o reforço da capacidade de transporte da rede e a gestão da pressão durante o horizonte de projecto. Para testar o desempenho das duas aplicações computacionais desenvolvidas, no final deste documento apresentam-se vários estudos de caso e discutem-se os resultados obtidos.

The reduction of losses in water distribution systems to levels considered economically viable and technically acceptable, is a major aim for a large number of water companies, in order to achieve the service sustainability. This subject has been raised internationally, and in Portugal, is foreseen in the PEAASAR 2007-2013, which fixes the need to reduce water losses to less than 20% (Operational objective 2). In this context, the implementation of District Metered Areas (DMA), that is the division of the system in smaller subsystems, can provide an important contribution to achieve that objective. Although the division of the system does not allow the reduction of water losses, it is an important instrument regarding their detection, characterization and spatial distribution. In addition, it helps in the implementation of active strategies to reduce water losses, allows to quantify the leakage level in each DMA, provides the information to prioritize the actions to be performed in the system, it eases the pressure management implementation, aids in the control of billed water and in monitoring the water quality parameters. Considering the needs of the water industry, two new approaches are proposed here as tools for management and operation of water distribution systems. The occurrence of water losses in water distribution systems is inevitable. Knowing that mostly of the water losses in distribution systems take place in the service connections, the first methodology proposed is based on the water distribution network modelling and several leakage-assessment approaches from the literature, by reducing the inlet pressure of the system or subsystem (most common in practice). This allows assessment of the benefits that can be achieved by pressure management in water distribution systems, particularly in terms of water production reduction. However, there are other benefits, including fewer pipe bursts, increased efficiency of the active leakage control efforts, the reduction of energy consumption and less customer contacts, can be used. Moreover, this approach can be useful for cost benefit analysis to help establishing the level after which there is no more economic interest in reducing water losses (Economic Level of Leakage). The second proposed methodology is related to the feasibility and sustainability of the DMA implementation in water distribution networks, including the pressure management in the network along the project plan. Moreover, this method can also be used to plan the investments needed at different times during the project plan, so that the total investment can thus be adjusted according to the real needs and the water company financial resources. It comprises two operational modules: the first model divides the water distribution network into suitable DMAs, based on graph theory concepts (Floyd-Warshall algorithm) and some user-defined criteria (like network length, number of service connections, …); the second model uses a Simulated Annealing algorithm, connected to a hydraulic simulator to perform extended period simulations, to identify the most appropriate number and location of metering stations, boundary valves, pressure management and network reinforcement/replacement needs along the project plan. To evaluate the performance of the proposed methodologies, at the end of this document, the results from some hypothetical case studies are presented and discussed.