Considerando a necessidade do controle mais efetivo dos sistemas de distribuição de água para abastecimento, a calibração constitui etapa fundamental a ser trilhada para garantir a reprodução do comportamento dos sistemas sob as mais diversas condições operacionais. Apesar da importância da calibração e da diversidade de modelos construídos com esse propósito no ambiente acadêmico, essa prática não tem sido amplamente utilizada pelas companhias, que demonstram certa relutância em fazer uso de modelos matemáticos. É interessante, portanto, que os modelos existentes sejam intensivamente testados em sistemas reais para que se possam estabelecer diretrizes para a sua utilização, bem como uma maior confiança no seu emprego. O presente trabalho de pesquisa visou o estudo de aplicação de um modelo especialmente construído para a calibração de sistemas, através do qual é possível identificar variáveis de campo tais como rugosidades, diâmetros, parâmetros do modelo de vazamentos, etc. O modelo empregado é abrangente o suficiente para incorporar vazamentos e demandas variáveis com a pressão. Através dele, foram realizados dois estudos de caso e discutidas as razões pelas quais discrepâncias entre os valores simulados e observados foram detectadas, apesar da consistência das respostas produzidas via simulação. Algumas recomendações são feitas também no sentido de viabilizar estudos dessa natureza que possam produzir ferramental diretamente utilizável pelas concessionárias de água para abastecimento. / Considering the need for more effective control of water supply distribution systems, the calibration constitutes fundamental step to guarantee that the system behavior under several operational conditions can be reproduced. Instead of the importance of calibration and the variety of models built by the academy for this purpose, this practice has not been broadly used by the water industry, which demonstrates certain reluctance regards the use of mathematical models. It is interesting, hence, that existing models are intensively tested in real systems to establish guidelines and consequent confidence in their use. The present research focused on the study of a model especially built for the calibration of water supply systems, through which it is possible identify field variables such as roughness, diameters, parameters of leakage model, etc. The model is comprehensive enough to incorporate leakage and pressure driven demands. Two study cases were analyzed supported by the model and discussed the reasons by which disagreement between simulated and observed data were verified, instead of the consistency of results produced by simulation. Some recommendations are made to become practical this kind of study as useful tool for the water industry.

Os avanços observados em Sistemas de Distribuição de Água vêm surgindo da necessidade de aumentar a eficiência, a qualidade e segurança do abastecimento de água aos consumidores. Dois desses avanços recentes que podem ser citados são a setorização e a quantificação da confiabilidade. O processo de setorização de um sistema de distribuição de água favorece a sua gestão, uma vez que possibilita maior controle da vazão distribuída e dos limites de fornecimento do serviço, entretanto pode implicar em restrições no abastecimento durante eventos de falhas ou emergências, sendo necessária a avaliação da confiabilidade. Diversos pesquisadores têm buscado uma metodologia coerente e adequada para quantificar a confiabilidade em sistemas de distribuição de água, muitos deles desenvolvendo métricas alternativas que visam simplificar esta definição. O presente trabalho visou investigar métricas alternativas de confiabilidade, propostas na literatura especializada, aplicando-as a estudos de caso para a rede original e após a setorização. Os resultados sugerem a viabilidade de utilização das métricas de confiabilidade como forma de avaliar diferentes níveis de setorização, no que diz respeito à vulnerabilidade do sistema. / Improvements upon Water Distribution Systems have been made under the urge of increasing efficiency, quality and security of water supply to its customers. A couple of recent breakthroughs on Water Distribution Network are partitioning and reliability. Water network partitioning enhances operational management, once it enables higher control of supplied flow and awareness of boundaries regarding each partition. Nevertheless, it can lead to supply restrictions under emergency and failure events, what may require reliability assessment. Several researchers have pursued consistent approach to quantify reliability of Water Distribution Network, many of them proposed surrogate measures which focused on simplifying its measurement. The aim of this work is to look into surrogate reliability measures proposed in the literature and applying them on case studies for its original layout and after proposed partitioning. The results implies the usage feasibility for the reliability measures as a way of evaluating different stages of partitioning, regarding system\'s vulnerability.

O trabalho apresenta uma proposta de metodologia para diagnóstico de sistemas de distribuição de água através da elaboração, passo a passo, e de uso de simuladores hidráulicos apoiados por aplicativos de geoprocessamento. Utilizando-se de dados reais como o histórico operacional de vazamentos dentro da região adotada num intervalo de tempo, espera-se fornecer ao analista um instrumento de análise visual do comportamento hidráulico do setor em função de uma escala progressiva de ocorrências, mapeada através de cores, permitindo avaliar a qualidade do modelo hidráulico como um todo, corrigindo desvios para que o mesmo reproduza eficientemente o comportamento real da rede de distribuição. Através deste, esperase avaliar as consequências da variação das pressões e vazões durante o dia, subsidiando tomadas de decisão, permitindo avaliação das opções e a redução de riscos e investimentos desnecessários. / The work presents a proposed methodology for diagnosis of water distribution systems through the development, step-by-step and hydraulic simulators use supported by geoprocessing applications. Using real data and operational history of leaks within the region adopted a time interval, is expected to provide the analyst a tool for visual analysis of the hydraulic behavior of the sector according to a progressive scale of occurrences, mapped through colors, in order to evaluate the quality of hydraulic model as a whole, correcting deviations so that it efficiently reproduces the actual behavior of the distribution network. Through this, it is expected to evaluate the consequences of variation of pressure and flows during the day, supporting decision-making, allowing the evaluation of the options and the reduction of unnecessary risks and investments.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil ( especialização em Hidráulica). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Tese de mestrado. Engenharia do Ambiente. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2005

As mudanças físicas ocorridas ao longo do tempo requerem que os modelos hidráulicos de previsão de comportamento das redes de distribuição de água para abastecimento tenham seus parâmetros reavaliados periodicamente via calibração. Diversas são as dificuldades inerentes ao processo de calibração de redes reais, dentre as quais aquelas resultantes da precariedade dos cadastros, como a incerteza quanto à localização e condição de abertura de válvulas na rede. Muitos métodos de calibração foram propostos na literatura, geralmente com base em equações analíticas e técnicas de otimização diversas. Reconhece-se, entretanto, a necessidade de estimativas dos parâmetros da rede em termos das rugosidades e dos parâmetros locais da relação entre pressão e vazamento, para sistemas sujeitos a vazamentos expressivos. Propõe-se aqui um método de calibração em duas etapas em que os AGs (algoritmos genéticos) são empregados como ferramenta na resolução dos problemas inversos correspondentes, sendo os estudos realizados para setores de rede da cidade de São Carlos, SP, sobre os quais extensivos trabalhos de campo foram realizados. Foram desenvolvidos também estudos de investigação da melhor representação do problema via AGs e de localização de pontos ótimos de monitoramento. Os resultados demonstraram-se robustos em identificar rugosidades e trechos dotados de válvulas, bem como os parâmetros do modelo de vazamentos, além de indicar possibilidades de melhorias na eficiência dos AGs. Resultados obtidos a partir de considerações sobre técnicas de localização de pontos ótimos de monitoramento também foram considerados bons. / Continuous physical changes that occur in water supply networks along the years require their calibration in order to guarantee realistic forecasts through hydraulic models. There are many difficulties involved in water supply network calibration in terms of their parameters as results of many factors, amongst which the lack or uncertainty on data like location and status of valve openings in the network. Several calibration methods have been proposed in the literature, usually based on many analytical equations and optimization techniques. However, it was known the need of estimative of network parameters in proper form of roughnesses and local parameters of relation between pressure and leakage, for systems submitted to expressive leakages. This work proposes a method of calibration in two phases in which the GAs (genetic algorithms) are used as tools in the resolution of corresponding inverse problems, being the studies performed for sectors of the network of the city of São Carlos, SP, about which extensive field work had been done. It was developed, also, studies investigating of the best representation of problem through GAs and the localization of optimal points for monitoring. The results have showed themselves robust in the identification of roughnesses and sections having valves, as well as the parameters of leakage model, besides to indicate possibilities of improvements in GA\'s efficiency. The results that have been obtained from considerations aboutlocalization techniques of optimal points for monitoring were considered good as well.

O dimensionamento otimizado de sistemas de distribuição de águas tem originado centenas de trabalhos científicos nas últimas quatro décadas. Vários pesquisadores têm buscado encontrar uma metodologia capaz de dimensionar essas redes considerando diversos aspectos e incertezas características desse tipo de projeto. No entanto, os resultados da maioria das metodologias desenvolvidas não podem ser aplicados na prática. O objetivo deste trabalho é elaborar uma metodologia de dimensionamento de redes de distribuição de água considerando um enfoque multiobjetivo. A metodologia desenvolvida considera três aspectos referentes ao projeto desses sistemas: custo; confiabilidade e perdas por vazamentos. Para tanto, empregou-se um método de otimização multiobjetivo baseado em algoritmos genéticos para a geração do conjunto de soluções não-dominadas e um método multicriterial para escolha da alternativa final. Para representar os objetivos do problema, foram testadas nove funções: custo, vazamentos, entropia, resiliência, tolerância à falha, expansibilidade, efeito do envelhecimento e resilientropia, sendo que sete destas são específicas para a representação da confiabilidade. Para se avaliar as alternativas geradas foi desenvolvido um modelo de análise hidráulica que fosse capaz de trabalhar com vazamentos e com demandas dependente da pressão. Os métodos escolhidos foram o Híbrido de Nielsen e o Gradiente. Das funções testadas, a resilientropia, proposta originalmente neste trabalho, foi a que melhor se ajustou ao conceito formal de confiabilidade, representado pela função tolerância. Os resultados encontrados pela metodologia mostraram-se promissores, uma vez esta foi capaz de encontrar redes eficientes ao final das simulações. / The topic \"Optimized design of water distribution systems\" has generated hundreds of scientific publications in the last four decades. Several researchers have searched for a technology which would take into account a variety of aspects and uncertainties innate to the design of such networks. However, the results of most methodologies developed are not practical. The objective of this work is to develop a methodology for water distribution systems design that has a multi-objective focus. The methodology developed focuses in three aspects of the design of such systems: cost, reliability and losses by leaking. A multiobjective optimization method based on generic algorithms, generating a set of non-defined solutions, and a multi-criteria method for choosing the final alternative, was employed. Nine functions representing the objectives of the problem (method) were tested: cost, leakages, entropy, resilience, failure tolerance, expansibility, aging effect and resilienthropy, seven of which are specific to representing reliability. In order to evaluate the generated alternatives, a hydraulic analysis model, that could handle leakages and pressure dependent demands, was developed. The chosen methods were Nielsen\'s Hybrid, and the Gradient. Of all tested functions, resilientropy, originally proposed in this work, proved to be the one best adjusted to the formal concept of reliability, represented by the tolerance function. The results obtained by this methodology are promising, as they produced efficient distribution networks at the end of the simulations performed.

Reconhecendo-se a importância da água como recurso natural limitado e considerando-se a perspectiva de crescimento do contingente populacional urbano, faz-se necessária uma investigação dos sistemas de distribuição de água para abastecimento, por tratarem-se de infra-estruturas básicas comuns aos núcleos populacionais do mundo todo. O planejamento da reabilitação das redes de distribuição de água torna-se de fundamental importância considerando os recursos financeiros limitados e o comportamento operacional desses sistemas que são alterados ao longo do tempo devido ao processo de deterioração de seus componentes. O presente trabalho representa um esforço no sentido de considerar objetivos mais promissores na análise de reabilitação de redes. Dessa maneira, foram considerados: custo, benefício, vazamentos e confiabilidade. Este trabalho apresenta contribuições às análises multiobjetivo via algoritmos genéticos, propriciando um aprimoramento do algoritmo Multiobjective Genetic Algorithm (MOGA) e realizando investigação dos operadores (recombinação e mutação) e dos métodos Non-dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA), Strength Pareto Evolutionary Algorithm (SPEA) e Elitist Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA II). Do ponto de vista hidráulico, este trabalho introduz tanto perdas por vazamentos como demanda variável com a pressão, proporcionando uma análise mais realística do problema. Os estudos desenvolvidos para redes hipotéticas e para um sistema real, possibilitaram que soluções satisfatórias fossem obtidas, chegando-se inclusive a uma proposição do conceito de programação dinâmica para o caso multiobjetivo. / Recognizing the importance of water as a limited natural resource and considering the prospect of continued population growth, it is important to investigate water distribution systems which are common to all urban infrastructures. Planning of the water distribution network rehabilitation becomes additionally important given economic constraints and operational behavior these systems which modifies in time due to deterioration of water networks. The present work is an effort to consider the multiple objectives in the water network rehabilitation analyses. Four objectives were considered: cost minimization, benefit maximization, leakage minimization and reliability maximization. In addition, it presents some contributions to multiobjective optimization methodology by genetic algorithms, offering an improvement of Multiobjective Genetic Algorithm (MOGA). A detailed investigation is conducted on genetic operators (recombination and mutation) comparing some existing multiobjective optimization methods (Multiobjective Genetic Algorithm - MOGA, Non-dominated Sorting Genetic Algorithm - NSGA, Strength Pareto Evolutionary Algorithm - SPEA and Elitist Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm - NSGA II). As regards the hydraulic analysis, this work introduces both leakages and pressure dependent demands in the simulations, providing a more realistic representation of actual field situations. The present study employs hypothetical networks and a real network obtaining satisfactory solutions. Further, dynamic programming concept is also incorporated into the multiobjective optimization framework.

O crescente adensamento populacional em grandes centros urbanos vem propiciando crescentes demandas hídricas. Esse fato aliado às limitações das fontes para abastecimento, tanto do ponto de vista quantitativo como qualitativo, impõe que políticas de gerenciamento da água sofram transformações no futuro próximo. Nesse sentido, devem merecer atenção especial as técnicas de reuso, bem como o uso racional e otimizado da água em meio urbano. O presente trabalho enfoca um dos principais aspectos do gerenciamento da qualidade da água para abastecimento, que é a manutenção do residual de cloro no interior da rede conforme a Portaria 518/2004. Trata-se de um problema complexo, uma vez que o cloro decai, ao longo do tempo, e se mistura nos nós da rede, sofrendo mudanças de concentração. Visando à modelagem e simulação do comportamento do cloro residual como uma ferramenta eficiente de gerenciamento dos sistemas de distribuição de água, muitos estudos têm sido realizados e reportados pela literatura assumindo-se que os efeitos do decaimento são representados pelos coeficientes Kbulk e Kwall. O presente trabalho realiza a calibração hidráulica e de qualidade para um setor de distribuição de água real do município de São Carlos - SP - Brasil, considerando o vazamento. Para tanto, calibradores hidráulicos já testados por outros autores foram usados, e um calibrador de qualidade para resolução do problema inverso, que utilizam em conjunto o simulador EPANET 2.0 e os algoritmos genéticos (AGs) como ferramenta de otimização, foram desenvolvidos. Foi evidenciada a importância de se considerar o vazamento na calibração hidráulica e conseqüentemente na calibração de qualidade. Foi desenvolvida também uma metodologia para a calibração dos parâmetros dos AGs através do uso do \"Particle Swarm Optimization\" (PSO). Foram testados ainda diversos modelos de vazamento para determinação de qual modelo seria capaz de representar de maneira mais fidedigna o comportamento hidráulico da rede e os resultados obtidos apontaram os modelos que admitem vazamento por comprimento linear da tubulação como sendo mais adequados. / The rising population density of large urban centers is gradually increasing water supply demands. This together with the paucity of water sources requires that the future water administration policies go through a transformation from both quantitative and qualitative points of view. Thus rational use of available water and water reuse deserve special attention in the urban environment. This study focuses on one these main aspects of water quality management, namely, the maintenance of residual chlorine in the hydraulic network according the respective Directive nº 518/2004. This is a complex problem in view of the fact chlorine decays in time and undergoes mixing at the network nodes, consequently producing changes in its concentration. Numerous studies on modeling and simulation of behavior of residual chlorine, as an efficient water distribution system management tool, have been made and reported in literature. These studies assume that chlorine decay in the network can be represented through Kbulk and Kwall coefficients. This research work conducts hydraulic and water quality calibration of a prototype water distribution sector in the city of São Carlos - SP - Brazil, while taking into account leakages in the network. Hydraulic calibration programs previously tested by others and a water quality calibration program were employed for the solution of the inverse problem for determination of unknown parameters. This problem was solved using hydraulic simulator EPANET 2.0 in conjunction with the genetic algorithms (AGs). These procedures showed the importance of considering network leakages in hydraulic calibration and consequently in the calibration of water quality. A method for the calibration of AG parameters was also developed through the use of \"Particle Swarm Optimization\" (PSO). Various representations for leakage were tested in order to identify the model that best described the hydraulic performance of the network. Thus it was possible to show that the models, which consider leakage per unit length, were the most adequate.

No Brasil, são comuns sistemas de distribuição de água para abastecimento com elevados índices de perdas, nos quais parcela significativa das denominadas perdas físicas é devida às perdas por vazamento. Dessa maneira, o controle efetivo das perdas por vazamento e do comportamento do sistema sob as mais diversas condições operacionais é de fundamental importância, não só do ponto de vista financeiro, no que diz respeito ao desperdício da água bombeada e quimicamente tratada, mas principalmente da preservação deste recurso natural. Com o objetivo de se ter um maior conhecimento do comportamento real de uma rede de distribuição de água, técnicas de calibração, incluindo modelos para avaliação de perdas por vazamentos, vêm sendo propostas. Tais modelos devem considerar a relação pressão x vazamento, bem como a dependência pressão x demanda, face aos diferentes níveis de pressão atuantes em um sistema de distribuição de água. O presente estudo visa o desenvolvimento de uma rotina computacional que considere as perdas por vazamento e a dependência das demandas com a pressão, acoplada ao simulador hidráulico EPANET (ROSSMAN, 2000), utilizando dados de rede hipotética com vistas à calibração em termos das rugosidades absolutas, demandas, diâmetros, cotas topográficas e parâmetros do modelo de vazamentos, bem como a localização de componentes hidráulicos na rede. Para tanto, utilizam-se modelos inversos resolvidos com o suporte da tecnologia dos Algoritmos Genéticos (AGs) e procedimento híbrido (AGs e Método Simplex – NELDER & MEAD, 1965) / Brazil’s water distribution systems usually present a high percentage of so-called physical losses, of which a significant portion is caused by leakage. Therefore, it is of fundamental importance, not only from the financial standpoint – in terms of the pumped and chemically treated water – but also particularly from that of the preservation of this natural resource, to effectively control leakage and the systems’ behavior under several operational conditions. In order to gain a better understanding of the real behavior of a water distribution network, several calibration techniques, including models to evaluate leakage, have been proposed. Those models normally consider the correlation between pressure and leakage, as well as the interdependence of pressure and demand in response to the varying levels of pressure in a water distribution system. The present study seeks to extend these models through the development of a computational routine based on leakage and on pressure-dependent demand, in conjunction with the hydraulic simulator EPANET (ROSSMAN, 2000), using the data from a hypothetical network to calibrate the absolute roughness and diameter of pipes, demands and elevations of nodes and the parameters of the leakage model, as well as the location of hydraulic components in the network. To this end, inverse models are used based on the technology of Genetic Algorithms (GA) and the hybrid procedure (GA and Simplex Method - NELDER & MEAD, 1965)