A carência, absoluta ou relativa, de água direcionou diversas ações no sentido de amenizar esse problema. A política nacional de recursos hídricos (Lei 9.433/97), com seus cinco instrumentos de gestão e planejamento, pode ser considerada o principal marco. Entre esses instrumentos, encontra-se o sistema de informações, que tem por finalidade coletar, armazenar e disponibilizar dados para uma gestão racional. É nesse âmbito e no sentido de contribuir para a evolução desses sistemas, que se apresenta essa tese de doutoramento. O tema principal trata da implementação de um sistema de suporte a decisões – SSD com base nos conceitos da programação orientada a objetos – POO, forma esta de programação que procura representar os sistemas por meio de classes de maneira a buscar a semelhança à realidade. Esse SSD, denominado de ARENA (análise de recursos naturais), é composto de um sistema de informações geográficas – SIG, dois simuladores (simulação do fluxo de águas subterrâneas e do ciclo hidrológico superficial), uma base de dados georeferenciada e módulos de acesso aos dados. A forma como os simuladores foram implementados, baseado em conceitos da POO e suas integrações às entidades geométricas do SIG, é apresentada como contribuição. No ARENA, o SIG não é apenas utilizado nas fases de pré e pós-processamento de dados para modelos, e sim no processo de simulação. Aplicações do ARENA a uma bacia hidrográfica (escoamento superficial) e a dois sistemas hipotéticos (escoamento subterrâneo) são apresentados ao final do trabalho. A maneira como esse SSD foi implementado induz ao desenvolvimento de simuladores adicionais sem realizar modificações nos pacotes já implementados neste trabalho, sendo facilitada a utilização dos pacotes que compõem esse SSD / The relative or complete lack of water has been directing various actions in order to solve this problem. The national water resources politic (Law 9.433/97) with its five instruments for water resources planning and management can be considered the main action. Among these instruments, it is found the information system that has as purpose to collect, store and turn it into available data to the rational management. In this scope and in order to give some contributions to the improvement of these systems, this Ph.D. thesis is presented. The main topic deals with the decision support system (DSS) implementation based on oriented object – OO, a kind of programming which tries to represent systems through classes very closely to the reality. This DSS, called ARENA (análise de recursos naturais, in Portuguese), is made up of a geographic information system (GIS), two models (a groundwater model and a distributed rainfall-runoff model), a georeferenced database and graphic user interfaces (GUI). The way the models were built, based on OO concepts and its integration to GIS geographic data, is presented as contribution. In the ARENA, the GIS is not only used in the pre and post processing steps, but also in the simulation. The ARENA applications were carried out for two examples, a watershed (surface water simulation) and a hypothetic system (groundwater simulation), both presented in the end of this study. The way this DSS was built induces to the development of other models without modifications in the existing packages, so that the development of new applications becomes easy because the use of existing packages that made this DSS up

A carência, absoluta ou relativa, de água direcionou diversas ações no sentido de amenizar esse problema. A política nacional de recursos hídricos (Lei 9.433/97), com seus cinco instrumentos de gestão e planejamento, pode ser considerada o principal marco. Entre esses instrumentos, encontra-se o sistema de informações, que tem por finalidade coletar, armazenar e disponibilizar dados para uma gestão racional. É nesse âmbito e no sentido de contribuir para a evolução desses sistemas, que se apresenta essa tese de doutoramento. O tema principal trata da implementação de um sistema de suporte a decisões – SSD com base nos conceitos da programação orientada a objetos – POO, forma esta de programação que procura representar os sistemas por meio de classes de maneira a buscar a semelhança à realidade. Esse SSD, denominado de ARENA (análise de recursos naturais), é composto de um sistema de informações geográficas – SIG, dois simuladores (simulação do fluxo de águas subterrâneas e do ciclo hidrológico superficial), uma base de dados georeferenciada e módulos de acesso aos dados. A forma como os simuladores foram implementados, baseado em conceitos da POO e suas integrações às entidades geométricas do SIG, é apresentada como contribuição. No ARENA, o SIG não é apenas utilizado nas fases de pré e pós-processamento de dados para modelos, e sim no processo de simulação. Aplicações do ARENA a uma bacia hidrográfica (escoamento superficial) e a dois sistemas hipotéticos (escoamento subterrâneo) são apresentados ao final do trabalho. A maneira como esse SSD foi implementado induz ao desenvolvimento de simuladores adicionais sem realizar modificações nos pacotes já implementados neste trabalho, sendo facilitada a utilização dos pacotes que compõem esse SSD / The relative or complete lack of water has been directing various actions in order to solve this problem. The national water resources politic (Law 9.433/97) with its five instruments for water resources planning and management can be considered the main action. Among these instruments, it is found the information system that has as purpose to collect, store and turn it into available data to the rational management. In this scope and in order to give some contributions to the improvement of these systems, this Ph.D. thesis is presented. The main topic deals with the decision support system (DSS) implementation based on oriented object – OO, a kind of programming which tries to represent systems through classes very closely to the reality. This DSS, called ARENA (análise de recursos naturais, in Portuguese), is made up of a geographic information system (GIS), two models (a groundwater model and a distributed rainfall-runoff model), a georeferenced database and graphic user interfaces (GUI). The way the models were built, based on OO concepts and its integration to GIS geographic data, is presented as contribution. In the ARENA, the GIS is not only used in the pre and post processing steps, but also in the simulation. The ARENA applications were carried out for two examples, a watershed (surface water simulation) and a hypothetic system (groundwater simulation), both presented in the end of this study. The way this DSS was built induces to the development of other models without modifications in the existing packages, so that the development of new applications becomes easy because the use of existing packages that made this DSS up

Esta tese estudou a aplicação de algoritmos evolucionários na análise multiobjetivo para gestão integrada de sistemas de recursos hídricos, bem como a sua integração à sistemas de suporte a decisão como o SSD AcquaNet e ModSim DSS. Dois algoritmos evolucionários multi-objetivo são desenvolvidos: MoDE-NS e MoPSO-NS e comparados ao NSGA-II. Os algoritmos foram desenvolvidos em forma de Sistema de Otimização que possibilita a análise de problemas multi-objetivo de forma generalizada com foco em sistemas de recursos hídricos. A possibilidade de integração com o SSD AcquaNet e o ModSim DSS via importação de rede de fluxo e a otimização conjunta, são apresentadas e exploradas. Uma ferramenta de visualização gráfica do conjunto de soluções não dominadas é incluída no Sistema de Otimização. Os algoritmos desenvolvidos foram aplicados a problemas de teste padrão para validação através da comparação de seus resultados ao NSGA-II. As possibilidades de aplicação do sistema de otimização e dos algoritmos evolucionários multi-objetivo foram exploradas inicialmente através de análise multi-objetivo do modelo chuva-vazão Smap com dois e cinco objetivos. Em seguida, a análise foi estendida a um sistema de recursos hídricos complexo, o Sistema Cantareira, responsável pelo abastecimento de aproximadamente metade da RMSP, que corresponde à aproximadamente 33 m³/s. A análise foi realizada comparando dois pares de funções objetivos envolvendo custos de energia elétrica, minimização de déficit no atendimento às demandas e minimização do desvio da qualidade da água em relação à Classe de enquadramento no rio Atibaia, a jusante do reservatório Atibainha e Cachoeira. Os resultados apontam que os algoritmos evolucionários multi-objetivo são aptos para aplicação na análise integrada de sistemas de recursos hídricos e representam uma boa alternativa aos métodos denominados clássicos, pelas suas características peculiares discutidas no trabalho. Algumas recomendações quanto ao uso dos algoritmos abordados para análise de problemas multi-objetivo foram apresentados. / This Thesis presents an application of evolutionary algorithms in multi-objective analysis for integrated management of water resources systems and their integration into decision support systems as AcquaNet and ModSim DSS. Two multi-objective evolutionary algorithms are developed: MoDE-NS-NS and MoPSO-NS and compared to NSGA-II. The algorithms are developed in the form of Optimization System which enables generalized multi-objective analysis with a focus on water resources systems. The possibilities for integration with AcquaNet and ModSim DSS, by importing network flow directly from them or by integrated optimization/simulation are also presented. A graphical visualization tool for the set of non-dominated solutions is also included in Optimization System. The algorithms are applied to common test problems set for validation by comparing its results to the NSGA-II. The possibilities of application of the developed Optimization System and multi-objective evolutionary algorithms are initially exploited by multi-objective analysis of a hydrological rainfall-runoff model Smap, with two and five objectives. Then, the analysis is extended to a complex water resources system, the Cantareira System, responsible for supplying nearly half of the Sao Paulo metro area, which corresponds to approximately 33 m³/s. The analysis is done by comparing two pairs of objective functions: minimization of demand shortage versus minimization of pumping cost and minimization of demand shortage versus minimization of the deviation from water quality standards. The results show that the multi-objective evolutionary algorithms are suitable for application to integrated analysis of water resources systems and represent a good alternative to the so called classical methods, for its peculiar characteristics discussed on this thesis. The MoDE-NS and MoPSO-NS developed, outperformed NSGA-II results, by obtaining a better coverage of the Pareto fronts especially on the water resources system case study.

Esta tese estudou a aplicação de algoritmos evolucionários na análise multiobjetivo para gestão integrada de sistemas de recursos hídricos, bem como a sua integração à sistemas de suporte a decisão como o SSD AcquaNet e ModSim DSS. Dois algoritmos evolucionários multi-objetivo são desenvolvidos: MoDE-NS e MoPSO-NS e comparados ao NSGA-II. Os algoritmos foram desenvolvidos em forma de Sistema de Otimização que possibilita a análise de problemas multi-objetivo de forma generalizada com foco em sistemas de recursos hídricos. A possibilidade de integração com o SSD AcquaNet e o ModSim DSS via importação de rede de fluxo e a otimização conjunta, são apresentadas e exploradas. Uma ferramenta de visualização gráfica do conjunto de soluções não dominadas é incluída no Sistema de Otimização. Os algoritmos desenvolvidos foram aplicados a problemas de teste padrão para validação através da comparação de seus resultados ao NSGA-II. As possibilidades de aplicação do sistema de otimização e dos algoritmos evolucionários multi-objetivo foram exploradas inicialmente através de análise multi-objetivo do modelo chuva-vazão Smap com dois e cinco objetivos. Em seguida, a análise foi estendida a um sistema de recursos hídricos complexo, o Sistema Cantareira, responsável pelo abastecimento de aproximadamente metade da RMSP, que corresponde à aproximadamente 33 m³/s. A análise foi realizada comparando dois pares de funções objetivos envolvendo custos de energia elétrica, minimização de déficit no atendimento às demandas e minimização do desvio da qualidade da água em relação à Classe de enquadramento no rio Atibaia, a jusante do reservatório Atibainha e Cachoeira. Os resultados apontam que os algoritmos evolucionários multi-objetivo são aptos para aplicação na análise integrada de sistemas de recursos hídricos e representam uma boa alternativa aos métodos denominados clássicos, pelas suas características peculiares discutidas no trabalho. Algumas recomendações quanto ao uso dos algoritmos abordados para análise de problemas multi-objetivo foram apresentados. / This Thesis presents an application of evolutionary algorithms in multi-objective analysis for integrated management of water resources systems and their integration into decision support systems as AcquaNet and ModSim DSS. Two multi-objective evolutionary algorithms are developed: MoDE-NS-NS and MoPSO-NS and compared to NSGA-II. The algorithms are developed in the form of Optimization System which enables generalized multi-objective analysis with a focus on water resources systems. The possibilities for integration with AcquaNet and ModSim DSS, by importing network flow directly from them or by integrated optimization/simulation are also presented. A graphical visualization tool for the set of non-dominated solutions is also included in Optimization System. The algorithms are applied to common test problems set for validation by comparing its results to the NSGA-II. The possibilities of application of the developed Optimization System and multi-objective evolutionary algorithms are initially exploited by multi-objective analysis of a hydrological rainfall-runoff model Smap, with two and five objectives. Then, the analysis is extended to a complex water resources system, the Cantareira System, responsible for supplying nearly half of the Sao Paulo metro area, which corresponds to approximately 33 m³/s. The analysis is done by comparing two pairs of objective functions: minimization of demand shortage versus minimization of pumping cost and minimization of demand shortage versus minimization of the deviation from water quality standards. The results show that the multi-objective evolutionary algorithms are suitable for application to integrated analysis of water resources systems and represent a good alternative to the so called classical methods, for its peculiar characteristics discussed on this thesis. The MoDE-NS and MoPSO-NS developed, outperformed NSGA-II results, by obtaining a better coverage of the Pareto fronts especially on the water resources system case study.

Neste trabalho é apresentada uma ferramenta de otimização para análise de problemas de alocação de água em bacias hidrográficas utilizando técnicas de programação linear e linear por partes, integradas a um modelo de amortecimentos de ondas em canais. A otimização é feita de forma global, com uso de softwares de programação linear baseados nos métodos de pontos interiores. A metodologia de uso do sistema consiste em se obter uma solução ?ótima? para situações de disponibilidade de água insuficiente a todos os usos conflitantes na bacia. A ferramenta está sendo acoplada e incorporada ao AcquaNet, um Sistema de Suporte a Decisões (SSD) para análise de sistemas de recursos hídricos, que utiliza um algoritmo de rede de fluxo afim de otimizar a alocação de água. A formulação utilizando programação linear permite a análise global do sistema e por isso, espera-se melhor aproveitamento da água disponível, seja no menor déficit de atendimento às demandas ou maior armazenamento nos reservatórios. A programação linear com utilização de métodos de pontos interiores é atualmente uma técnica bastante conhecida e bem desenvolvida. Existem vários pacotes computacionais gratuitos com implementações eficientes dos métodos de pontos interiores que motivaram sua utilização neste trabalho. / This work presents an optimization tool for analyzing the problems of water allocation in watersheds by utilizing techniques of linear and piecewise linear programming integrated to a pattern of stream flow routing. The optimization is done in a global way with the usage of linear programming packages based upon the Internal Point Methods. The methodology of the usage consists in the acquirement of an optimal solution for situation of insufficient water availability for all conflicting consumptions from the watershed. The tool is being attached and incorporated to AcquaNet, which is a decision support system (DSS) for analysis of water resources systems that utilizes a network flow algorithm, with the purpose of optimizing the water allocation. The formulation that uses the linear programming leads to the analysis of the system as a whole and for this reason it is expected a better usage of the available water with a lower deficit in the supply or a greater storage in the reservoirs. Linear Programming with Internal Point Methods is nowadays a well known and very well developed technique. There are several computational packages with efficient implementations of the Internal Points Methods freely available, and that, has brought great motivation in its usage in the present work.

Neste trabalho é apresentada uma ferramenta de otimização para análise de problemas de alocação de água em bacias hidrográficas utilizando técnicas de programação linear e linear por partes, integradas a um modelo de amortecimentos de ondas em canais. A otimização é feita de forma global, com uso de softwares de programação linear baseados nos métodos de pontos interiores. A metodologia de uso do sistema consiste em se obter uma solução ?ótima? para situações de disponibilidade de água insuficiente a todos os usos conflitantes na bacia. A ferramenta está sendo acoplada e incorporada ao AcquaNet, um Sistema de Suporte a Decisões (SSD) para análise de sistemas de recursos hídricos, que utiliza um algoritmo de rede de fluxo afim de otimizar a alocação de água. A formulação utilizando programação linear permite a análise global do sistema e por isso, espera-se melhor aproveitamento da água disponível, seja no menor déficit de atendimento às demandas ou maior armazenamento nos reservatórios. A programação linear com utilização de métodos de pontos interiores é atualmente uma técnica bastante conhecida e bem desenvolvida. Existem vários pacotes computacionais gratuitos com implementações eficientes dos métodos de pontos interiores que motivaram sua utilização neste trabalho. / This work presents an optimization tool for analyzing the problems of water allocation in watersheds by utilizing techniques of linear and piecewise linear programming integrated to a pattern of stream flow routing. The optimization is done in a global way with the usage of linear programming packages based upon the Internal Point Methods. The methodology of the usage consists in the acquirement of an optimal solution for situation of insufficient water availability for all conflicting consumptions from the watershed. The tool is being attached and incorporated to AcquaNet, which is a decision support system (DSS) for analysis of water resources systems that utilizes a network flow algorithm, with the purpose of optimizing the water allocation. The formulation that uses the linear programming leads to the analysis of the system as a whole and for this reason it is expected a better usage of the available water with a lower deficit in the supply or a greater storage in the reservoirs. Linear Programming with Internal Point Methods is nowadays a well known and very well developed technique. There are several computational packages with efficient implementations of the Internal Points Methods freely available, and that, has brought great motivation in its usage in the present work.