Orientador: Juliane Araújo Greinert Goulart. / Dissertação (Mestrado em Engenharia Ambiental) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Centro de Ciências Tecnológicas.

A Serra do Mar é uma região de importância estratégica para o Estado de São Paulo, pela necessidade de implementar o desenvolvimento sustentável, aliando a preservação das porções remanescentes da Mata Atlântica ao desenvolvimento econômico favorecido por ferrovias, rodovias, dutovias, instalações industriais e portuárias. Importante pólo turístico, essa região tem previsão de implantação e ampliação de grandes empreendimentos nos próximos anos, fator que atua como indutor do crescimento econômico e acarreta, também, possibilidades de grande degradação ambiental decorrente de urbanização desordenada. Face a grande deficiência de dados hidrológicos das bacias hidrográficas do Litoral Norte do Estado, faz-se necessário um monitoramento da região, para que as autoridades possam planejar melhor as ações. Este estudo fornece ferramentas para um melhor entendimento sobre o comportamento hidrológico da microbacia do Rio Claro. Com 70,2 km de área, esta localiza-se nos municípios de Caraguatatuba e São Sebastião, e, atualmente é um dos principais mananciais de abastecimento desses municípios. Para tal, apresentam-se simulações de respostas hidrológicas da bacia, utilizando o modelo hidrológico DHSVM - Distributed Hydrology Soil Vegetation Model, estimativas de demanda hídrica para cenários futuros e análise da qualidade da água com fins de abastecimento público. Os resultados mostraram que a qualidade dos dados de entrada do modelo tem fundamental importância. Na análise de sensibilidade, dentre os parâmetros de solo analisados, observou-se que a condutividade hidráulica lateral é um parâmetro que se mostrou mais sensível, cabendo uma atenção maior em estudos futuros. Dentre os parâmetros de vegetação, o modelo apresentou significativas instabilidades numéricas, sobretudo para a variação do parâmetro fração de cobertura. A análise da demanda hídrica mostrou a necessidade de planejar novos sistemas de abastecimento para atender às projeções de população de Caraguatatuba e São Sebastião. A análise da qualidade de água, mostrou que a água do Rio Claro é de boa qualidade, no entanto, pode sofrer no futuro com os reflexos do crescimento urbano na região.

A variação temporal natural das vazões dos rios pode ser causa de dificuldades para o abastecimento urbano de água, tornando-se ainda mais complexo no cenário de possíveis mudanças climáticas presente nos dias atuais. O presente trabalho objetivou detectar tendências em séries temporais de dados hidrológicos de precipitação na bacia hidrográfica do ribeirão Guaratinguetá, Município de Guaratinguetá - SP, visando estabelecer um comparativo entre os valores históricos observados e os projetados através do modelo Eta/CPTEC para cenários futuros até o ano de 2.099. Foram analisados dados de precipitação e temperatura de estações hidrometeorológicas na bacia hidrográfica do Ribeirão Guaratinguetá, e gerados dados de evaporação, com o método de Thornthwaite, e de vazão do rio, com o modelo SMAP (Soil Moisture Accounting Procedure), e então submetidos ao teste estatístico não paramétrico de Mann-Kendall, visando a identificação de tendências. Ambas as séries históricas e projetadas apresentaram variação intra-anual dos volumes precipitados. Foi identificada tendência de aumento nos volumes de precipitação para a primavera. Em função desta elevação, foi possível notar um aumento das vazões simuladas para o futuro, no ribeirão Guaratinguetá, o que deve resultar em mudanças na operação do sistema de abastecimento de água. Por outro lado, a previsão de aumento dos volumes de vazão pode significar um benefício em relação ao déficit na demanda de água, ainda que seja necessária a realização de obras para adequação do sistema em função dos maiores volumes. Para uma maior exatidão nos valores simulados para a vazão do ribeirão Guaratinguetá, recomenda-se que o modelo SMAP seja calibrado e validado para vazões observadas, no momento não disponíveis para a área em questão.

A presente pesquisa realizou o estudo da confiabilidade aplicado à otimização da operação em tempo real de sistemas de abastecimento de água (SAA). Almeja-se que a otimização da operação em tempo real empregue técnicas que a tornem robusta, ou seja, que considerem as incertezas inerentes a um SAA real. Para tanto, é necessário associar ao modelo de otimização um previsor de demanda e um simulador hidráulico. O previsor produzirá estimativas de demandas futuras para o horizonte desejado, o qual alimentará o simulador, a fim de que sejam determinadas as estratégias operacionais otimizadas para atendimento das demandas previstas. Implementou-se o método de otimização AMALGAM (\"A Multialgorithm Genetically Adaptive Method\"), juntamente com as demais rotinas computacionais necessárias para integrar o simulador hidráulico (EPANET 2) e o previsor de demanda baseado na Rede Neural Dinâmica (DAN2). O modelo desenvolvido foi aplicado nos setores de abastecimento Eliana, Iguatemi e Martinez, os quais são operados pelo Departamento Autônomo de Água e Esgotos (DAAE) da cidade de Araraquara, SP. Os modelos das redes de água foram calibrados por meio de dados de vazão e carga de pressão coletados em campanhas de campo. As estratégias operacionais resultantes foram comparadas as operações praticadas pelo DAAE, resultando em reduções no custo do consumo de energia de 14%, 13% e 30% para os setores Eliana, Iguatemi e Martinez, respectivamente. / This research project proposes the study of reliability applied to real time optimization of operation of water supply network (WSN). It is desired to obtain robust real time optimization of operation through the use of adequate techniques which accounts the inherent uncertainty of a real WSN. To accomplish the task it is necessary to associate to the optimization model a demand forecaster and a hydraulic simulator. The forecaster will produce the future demand for the planning horizon to serve as input for the simulator, so it is possible to obtain the optimized operation to meet the predicted demand. It was implemented the AMALGAM (\"A Multialgorithm Genetically Adaptive Method\") to serve as optimization model as well as the necessary computational routine to link the EPANET hydraulic simulator as well as the demand forecaster based on DAN2. The developed model was applied to the sectors Eliana, Iguatemi and Martinez, which are part of the water system operated by the Autonomous Department of Water and Sewer (DAAE) of Araraquara, SP. The water network model was calibrated using data collected on field campaign to gather pressure and flow data. The optimized operation was compared to the operation from DAAE, resulting in reduction of energy consumption cost of 14%, 13% and 30% respectively for the sectors Eliana, Iguatemi and Martinez.

O presente trabalho aborda os conceitos que envolvem as perdas no sistema de distribuição de água e os diferentes indicadores de perdas existentes, utilizados como um dos principais instrumentos de apoio à gestão nos sistemas de abastecimentos de água. A revisão bibliográfica apresenta histórico dos trabalhos referentes ao controle e redução de perdas que tem sido desenvolvidos no Brasil e em outros países. Mostra a diversidade de indicadores de perdas existentes e os estudos e discussões incessantes na busca de sua padronização, coordenados pela International Water Association (IWA). Também trata de importantes questões relativas ao tema da dissertação, tais como: a elaboração do Balanço Hídrico e os limites de incertezas de suas variáveis; e as iniciativas existentes ao redor do mundo relacionadas ao uso eficiente de energia e sua interface entre a redução de perdas em sistemas de abastecimento de água. Na segunda etapa do trabalho, foram elaborados passo a passo os Balanços Hídricos de três setores de abastecimento da Região Metropolitana de São Paulo (RMSP) com características distintas entre si. Em razão da dificuldade de medições de alguns volumes de entrada dos Balanços Hídricos, recorreu-se à alternativa de calculá-los através de estimativas, cujos valores padrões foram pesquisados na bibliografia existente. Devido a isso, os fluxos dos Balanços Hídricos estudados apresentaram faixas de valores, retratando os limites de incertezas a que eles estão submetidos. Compararam-se os Balanços Hídricos dos três setores de abastecimento, avaliando-se suas incertezas, analisando-se seus resultados e recomendando-se onde podem ser direcionadas as ações para o controle e redução, sejam para as perdas reais, sejam para as perdas aparentes. Por fim, ressalta-se que por se tratar de tema correlacionado às dissertações desenvolvidas por Galvão (2007), Melato (2010), Oliveira (2011) e Palo (2010), este estudo serve, portanto, como uma continuidade desses trabalhos. / This project has the purpose of treat the conceptions involving losses in water distribution systems and different performance indicators, used as a major instrument of management support systems in water supplies. Bibliographic review presents a historic of the works on the control and reduction of water losses that have been developed in Brazil and other countries. It shows the diversity of existing indicators of water losses and incessant studies and discussions in the search for its standardization, coordinated by the International Water Association (IWA). It also deals with important issues related to the subject of the dissertation, such as the elaboration of the water balance and the limits of uncertainty of its variables, and the existing initiatives around the world related to the energy efficiency and its interface with the reduction of losses in water supply systems. In the second stage of the work, the Water Balances of three different supply sectors of the Metropolitan Region of São Paulo were developed step by step. Because of the difficulty of measurements of some volumes of incoming Water Balance, one resorted to the alternative of calculating them through estimates, whose default values were researched in existing literature. Due to this, the flow of Water Balance study showed ranges of values, depicting the limits of uncertainty to which they are submitted. The Water Balance of three supply sectors were compared, evaluating their uncertainties, analyzing their results and recommending where actions should be directed to the control and reduction whether they are real or apparent losses. It is important to say that since it is correlated themes to dissertations developed by Galvão (2007), Melato (2010), Oliveira (2011) and Palo (2010), will represent, therefore, as continuity to their works.

O polietileno surgiu em 1898 e logo já começou a ser utilizado como conduíte e isolante. Desde então este material vem ganhando muito espaço no mercado de tubulações, seja no saneamento, mineração, indústrias ou no segmento de petróleo e gás. Seu tipo mais usado é o Polietileno de Alta Densidade (PEAD), que apesar de já ser comumente encontrado em adutoras, emissários e ramais prediais, somente nos últimos anos passou a ser utilizado de maneira mais abrangente nas redes de distribuição de água, se tornando um aliado importante no combate aos altos índices de perdas reais. No Brasil, somente nos últimos anos que a presença de tubulações de PEAD em redes de distribuição de água potável se tornou mais comum. Contudo, é possível identificar cenários de aplicação do PEAD em sistemas de abastecimento de água já relativamente consolidados, como é o caso do Departamento Municipal de Água e Esgotos (DMAE) de Porto Alegre, que utiliza o material há 25 anos, a Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (Sabesp), onde desde 2009 a Diretoria Metropolitana vem utilizando o PEAD em novas aplicações em redes e a Odebrecht Ambiental da cidade de Limeira, que utiliza tubos deste material desde 2007. Através de análises de custos de implantação, operação e manutenção, de amostragens da condição de tubulações em operação, da evolução de índice de perdas e de entrevistas com as equipes de operação e planejamento, é possível verificar que realmente as tubulações de PEAD auxiliam no combate às perdas reais e na otimização da operação e eficiência das prestadoras de serviços de distribuição de água potável, no sentido de diminuir o tempo de intervenção de redes, os custos de manutenção e a frequência de arrebentamento e vazamentos nas redes de abastecimento. / Polyethylene appeared in 1898 and soon started been used as conduit and insulating material. Since then, the material has been gaining a lot of space in the pipes market in sanitation, mining, industries and oil & gas production. The most used type is High Density Polyethylene (HDPE), which despite being commonly found in water mains, emissaries and communication pipes, only in recent years began to be used more widely in water distribution networks, becoming an important ally in the fight against high rates of real water losses. In Brazil, only in recent years the use of HDPE pipes has become more common in public water distribution networks. However, it is possible to identify HDPE application cases in relatively consolidated water supply distribution networks, such as the Departamento Municipal de Água e Esgotos (DMAE) of Porto Alegre, which have used the material for 25 years; the Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (Sabesp), where since 2009 the Metropolitan Unit has been using HDPE in new applications in network pipes and Odebrecht Ambiental, in Limeira city, which uses this material in water pipelines since 2007. Through research of implementation, operation and maintenance costs, sampling the condition of pipes in operation, analysis the real losses indicators and interviews with the operations and planning teams, it is possible to conclude HDPE pipes contribute to reduction of real losses and optimization of the operation and efficiency of the providers of drinking water distribution services, decreasing maintenance time and costs.

Grande parte da população rural do Semiárido brasileiro sofre com problemas de acesso à água de qualidade. A exploração da água subterrânea representa uma das principais alternativas para o abastecimento dessa parcela da população, mas muitas vezes os poços perfurados encontram-se longe da rede elétrica. A região apresenta abundante recurso solar e, assim, essa dificuldade poderia ser contornada com a utilização de sistemas fotovoltaicos de bombeamento. Mas, além da questão da energia para o funcionamento dos sistemas de bombeamento, pelo fato da maior parte do Semiárido estar localizada sobre escudo cristalino, muitos poços apresentam água com altos níveis de salinidade, o que inviabiliza a utilização desses mananciais para o fornecimento de água potável ou faz com que a população rejeite seu consumo, por conta do gosto. O presente trabalho tem como objetivo verificar se a adaptação de sistemas de dessalinização de pequeno porte disponíveis comercialmente a sistemas fotovoltaicos domiciliares pode potencializar a difusão dos sistemas fotovoltaicos de bombeamento em poços de água com alto teor de sais dissolvidos e se essa opção pode representar uma alternativa de fornecimento de água para a população rural de áreas com problemas de salinização dos mananciais de abastecimento. A opção analisada consiste em um sistema duplo de fornecimento de água, com tratamento do tipo ponto de uso da água para consumo humano. Foi verificado que os sistemas de dessalinização atualmente disponíveis no mercado podem funcionar acoplados a geradores fotovoltaicos e utilizados para fornecimento de água potável a partir de água salobra. / Much of the rural population of the Brazilian Semiarid region suffers from problems related to access of improved water quality. The exploitation of ground water is the main alternative for water supply solutions regarding this population, but often the boreholes are away from power lines. The region has abundant solar source and therefore this problem could be overcome with the use of photovoltaic pumping systems. Beyond the issue of energy for operation of the borehole systems, considering that most of the semiarid region is located on crystalline shield, many boreholes have water with high level of salinity, which hinder their use for drinking water supply solutions, as the population rejects the water because of its taste. This study aims to determine whether the adaptation of commercially available small household desalinization systems adapted to photovoltaic systems can enhance the diffusion of photovoltaic pumping systems of boreholes with high concentrations of dissolved salt, by proposing this water supply solution as an alternative for water supply systems in rural areas with problems of salinization of the main water sources. The proposed technical solution consists of a dual water supply system with the use a point of use water treatment for human consumption. It was found that desalination systems available on the market can operate coupled to photovoltaic generators and used to supply drinking water from brackish water.

O conhecimento dos equipamentos e metodologias para o controle e redução de perdas reais em sistemas de abastecimento de água tem assumido um papel importante no setor de saneamento, diante da necessidade de sustentabilidade e conservação ambiental. Este trabalho apresenta os principais equipamentos utilizados em detecção acústica de vazamentos não visíveis, dentro de suas variáveis, vantagens e desvantagens para cada tipo e possibilidade de aplicação e permite aos gestores a escolha dos equipamentos em função de suas necessidades e possibilidades. Apresenta os princípios físicos que norteiam o funcionamento dos equipamentos, nos estudos do comportamento do som nos vários ambientes envolvidos, bem como na capacidade humana em discernir esses sons. A metodologia para essa atividade é fortemente influenciada por esses fatores e seu conhecimento é fundamental para o sucesso dos trabalhos de detecção de vazamentos por detecção acústica. Equipamentos e metodologias de detecção de vazamentos não acústicos têm sido cada vez mais utilizados e são apresentadas as suas principais características e aplicabilidades. O estudo da VRP e do booster, bem como os procedimentos e padrões para os ramais prediais de ligação de água, podem ser utilizados para o efetivo controle e redução de perdas reais em sistemas de abastecimento de água. / The knowledge and methodologies of the equipments for the control and reduction of real losses in the water supply systems have assumed an important role in the sanitation sector, face to the necessity of sustainability and environmental preservation. This study presents the main equipments used in the acoustic leakage detection, exploring its variables, advantages and disadvantages for each type and application possibilities, giving to the managers the choice of the equipments considering their necessities and possibilities. It presents the physical principles that direct the equipments working in the studies of sound behavior in the different environments involved, such as the human capacity to identifying these sounds. The methodology for this activity is strongly influenced by these factors and its knowledge is fundamental for the success of the leakage detection works by acoustic detection. Equipments and methodologies of non-acoustic leakage detection have been more and more used and its main characteristics and uses are presented in this study. The RPV and boosters study, such as the procedures and standards to buildings extensions of the water connection, can be used for the effective control and reduction of the real looses in the water supply systems.

O estudo visa investigar os impactos do abastecimento por águas subterrâneas no setor energético brasileiro, as dinâmicas das tomadas de decisões no gerenciamento hídrico e gerenciamento energético brasileiro, e apontar onde as ações para a sustentabilidade no bombeamento de águas subterrâneas devem ser tomadas. A geração, consumo e gestão de energia interagem de muitas formas com os recursos hídricos, contudo o gerenciamento das águas superficiais difere do gerenciamento das águas subterrâneas. Cerca de 2,6% do consumo energético brasileiro é utilizado para abastecimento por águas subterrâneas. Ações para eficiência energética neste setor podem trazer economia de energia. / The study aims to investigate the impacts of groundwater supply in the Brazilian energy sector, the dynamics of decision making in water management and Brazilian energy management, and to point out where actions for sustainability in pumping groundwater must be taken. Power generation, consumption and management interact in many ways with water resources, yet surface water management differs from groundwater management. About 2.6% of Brazilian energy consumption is used for groundwater supply. Actions for energy efficiency in this sector can bring energy savings.

O presente trabalho de pesquisa enfoca a problemática da previsão de demandas com vistas à operação dos sistemas de abastecimento de água em tempo real, utilizando-se dados de consumo horários de água das cidades de São Carlos e Araraquara, SP, para que se identifique o modelo que produza os melhores ajustes. Foram estudadas as redes neurais artificiais Perceptron de Múltiplas Camadas (RNAs MLP), a Rede Neural Dinâmica (DAN2) e duas RNAs híbridas, sendo que estas últimas consistem em associar previsão por séries de Fourier com a RNA MLP e a DAN2, sendo denominadas respectivamente RNA-H e DAN2-H. As entradas fornecidas para os modelos de previsão foram escolhidas com base na revisão bibliográfica e por meio de análise de correlação, considerando os dados de consumo e as variáveis meteorológicas, tais como temperatura, umidade relativa do ar e ocorrência de chuva. Os melhores modelos de previsão utilizaram a DAN2, a qual se mostrou de manuseio mais fácil em relação às redes neurais de múltiplas camadas, pois dispensa o processo de tentativas e erros para se determinar a melhor arquitetura para os dados fornecidos ao modelo. Os melhores modelos de previsão para a próxima hora produziram um erro médio absoluto de 2,25 L/s (DAN2-H) para um subssetor de Araraquara, representado cerca de 8% do consumo médio, e 2,3 L/s (DAN2) para um setor de São Carlos, equivalente a 4% do consumo médio. / The present work focuses the problem of water demand forecasting for real time operation of WSS. The study was conducted using hourly consumption data from water distribution system from the cities of São Carlos, Araraquara, SP, to identify the model that fits better. It were studied the artificial neural network Multilayer Perceptron (ANN MLP), the Dynamic Neural Network (DAN2) and two hybrid ANN. The hybrid ANN is an association of the water demand prevision by series of Fourier with the ANN MLP and DAN2, which were called respectively ANN-H and DAN2-H. The inputs provided to the forecasting models were chosen based on literature review and correlation analysis, considering consumption data and meteorological variables, such as temperature, air relative humidity and rain occurrence. The best forecasting models were based on DAN2, which showed easy handling compared to other neural network with multiple layers, because it dispenses the trial and error procedure to find the best architecture for a given data. The best forecasting model for the next hour produced an absolute medium error of 2.25 L/s (DAN2-H) for a subsector from Araraquara, representing about 8% of the average consumption, and 2.30 L/s (DAN2) for a sector from São Carlos, which correspond to 4% of its average consumption.