Modelos de Apoio à Decisão para a Gestão de Sistemas de Abastecimento de Água de Múltiplas Origens

Abstract

O trabalho de investigação efetuado e exposto nesta tese descreve o desenvolvimento de duas ferramentas de análise de sistemas baseadas em modelos de otimização para a gestão de sistemas regionais de abastecimento de água de múltiplas origens, com especial interesse para sistemas com origens superficiais e origens subterrâneas. A gestão da água a nível regional está de acordo com os princípios orientadores para a implementação de estratégias de gestão integrada de recursos hídricos. As opções tomadas sobre o planeamento e a operação dos sistemas hídricos têm diferentes implicações (hidrológicas, económicas, sociais e ambientais) e um carácter irreversível, pelo que se exige eficiência aos processos de decisão. A abordagem sistémica permite, pelo menos, tornar os processos de decisão sobre a gestão de recursos naturais mais estruturados através da integração simultânea dos aspetos relevantes de cada problema. A primeira ferramenta apresentada é um modelo determinístico que otimiza a operação de sistemas regionais de abastecimento de múltiplas origens. Na operação do sistema, admite-se que a respetiva entidade gestora pretende diminuir os custos de exploração, satisfazer a procura, fornecer água com a qualidade mais adequada e evitar o recurso a origens de emergência. O modelo integra funções matemáticas que procuram reproduzir a operação de albufeiras, simular o escoamento de água subterrânea em aquíferos e descrever o transporte de água num sistema de distribuição comum entre os locais de captação e os locais de consumo com uma representação explícita da qualidade da água. Outras restrições reproduzem preocupações de carácter ambiental (e.g., estabelecimento de níveis piezométricos mínimos nos aquíferos, manutenção de caudais ecológicos a jusante das albufeiras) de modo a assegurar a devida proteção dos sistemas naturais e ecológicos. A segunda ferramenta desenvolvida baseia-se no pressuposto de que é necessário expandir a capacidade de um sistema regional de abastecimento de água de múltiplas origens. O problema a resolver consiste em determinar o conjunto de infraestruturas a construir e/ou reabilitar num determinado momento. Inevitavelmente, uma decisão deste tipo deverá ser tomada no contexto de um planeamento de longo prazo e ter em consideração o modo como os sistemas serão operados ao longo do tempo (20, 25 ou mais anos). Várias situações podem ocorrer no futuro dependendo do comportamento de diversos fatores incertos com influência sobre a procura e a oferta de água. A metodologia proposta baseia-se numa integração de dois modelos decisionais, num planeamento por cenários para representação explícita da incerteza e num método de resolução adequado às características do problema matemático que se pode definir. A metodologia desenvolvida configura uma abordagem robusta, em que se procuram encontrar soluções que venham a ter o melhor desempenho num conjunto de cenários. A resolução do problema de expansão com a atribuição de diferentes pesos aos termos de uma função objetivo providencia não uma única solução, mas um conjunto de possíveis soluções, permitindo relacionar os ganhos de robustez dos sistemas por expansão da sua capacidade com os custos exigidos para esse fim. Nesta tese, descrevem-se também os métodos de resolução de cada um dos problemas. O problema de otimização da operação é expresso por uma formulação não linear. Além de se sugerir a resolução direta do modelo de otimização, apresentam-se três métodos assentes em abordagens de decomposição para aumentar a eficiência do processo de resolução e reproduzir horizontes temporais na operação dos sistemas menores do que a extensão do período de análise. O problema de expansão é resolvido com um método que envolve fluxos de informação entre os dois modelos decisionais integrados na metodologia e que combina um algoritmo de recozimento simulado com a resolução de uma série de problemas não lineares. A utilidade das ferramentas de análise é demonstrada com duas aplicações a estudos de caso inspirados em problemas reais.

The research presented in this thesis describes the development of two systems analysis tools based on optimization models for the management of multisource regional water supply systems, in particular for surface water and groundwater resources. Water management at the regional level is in line with general principles for the implementation of integrated water resources management strategies. The decisions taken during the planning and operation of water systems have different implications (hydrologic, economic, social and environmental) and are often irreversible. The systemic approach allows at least to make the decision processes for the management of natural resources more structured through the simultaneous integration of the relevant aspects of each problem. The first tool presented is a deterministic model that optimizes the operation of multisource regional water supply systems. The operation of water systems is optimized taking into account the main planning objectives defined for interventions by the water utility which include reducing operating costs, meeting demand, delivering water of the appropriate quality, and avoiding the use of emergency sources. Mathematical functions simulate the water balance in the surface reservoirs, the groundwater flow in the aquifers, and the transport in the distribution network with explicit representation of water quality. Environmental concerns such as minimum discharge from reservoirs for downstream ecosystem maintenance and minimum piezometric levels in aquifers to prevent the overexploitation of the groundwater resources are introduced as model constraints. The second tool is based on the assumption that the capacity of a multisource regional water supply system must be expanded. The problem to be solved consists of determining the infrastructure that has to be built/rehabilitated at a specific time. Necessarily, such decisions have to be taken with a long-term perspective and consider how the system will be operated for 20-25 years or longer. Different situations might occur in the future depending on the behaviour of a number of uncertain factors that influence water supply and demand. The methodology proposed is based on an integration of two decision models, on a scenario planning approach for the explicit representation of the uncertainty and on a solution method adequate to the characteristics of the mathematical problem that could be defined. The methodology developed to solve the expansion problem is a robust approach designed to find solutions that will perform well in any scenario. Solving the expansion problem assigning selected weights to the terms of an objective function provides not a single solution but a set of solutions, thereby allowing increases in robustness to be weighed against the additional cost required. The methods for solving each problem are also described. The operational problem is expressed as a nonlinear formulation. Besides solving of the optimization model directly, three decomposition approaches are also proposed that improve the efficiency of the solving process and use shorter planning time horizons than the period of analysis. The expansion problem is solved using a method that involves flows of information between the two decision models integrated in the methodology and that combines a simulated annealing algorithm with solving a series of nonlinear problems. The usefulness of the system analysis tools is illustrated by applying them to two case studies inspired by real problems.