Modelação matemática como apoio à localização aproximada de fugas em redes de distribuição de água

Abstract

A água doce necessita de uma gestão racional visto ser um recurso escasso e essencial ao desenvolvimento económico e social. Para o consumo humano, a água doce necessita de um conjunto de operações complexas de transporte, tratamento e distribuição. Este conjunto de operações tem custos elevados e decorrem nos sistemas e nas redes de distribuição. Devido ao funcionamento intrínseco das redes de distribuição haverá sempre água desperdiçada. Mesmo assim, o uso eficiente da água recomenda o controlo do desperdício, nomeadamente através da redução de fugas e perdas. Atualmente na análise do balanço hídrico anual nacional, quase 40% do volume de água fornecida às redes de distribuição de água é água não faturada. Este valor é muito elevado, mesmo sabendo que a existência de fugas não reportadas nas redes de distribuição é um problema intemporal. Na literatura existem várias abordagens para o controlo ativo de perdas, procurando reduzir a ineficiência da rede e garantir níveis economicamente viáveis. Ao nível das redes de distribuição as abordagem enfatizam o controlo da pressão, a gestão da infraestrutura, a celeridade na reparação e a localização exata ou aproximada de fugas não reportadas. Para contribuir para a redução das perdas reais melhorando a aplicação do controlo ativo de perdas, nomeadamente beneficiando o desempenho das técnicas de localização exata de fugas, este trabalho apresenta duas novas ferramentas de apoio à localização aproximada de fugas nas condutas das redes de distribuição de água. A primeira metodologia proposta é uma ferramenta computacional baseada no algoritmo TrustRank e num modelo matemático de simulação do comportamento hidráulico das redes de distribuição de água. Esta metodologia foi desenvolvida para ajudar à seleção do posicionamento ótimo de transdutores de pressão na rede. A metodologia providencia uma boa avaliação da pressão existente na totalidade da rede de distribuição de água com a seleção de pontos representativos da pressão existente. Esta informação recolhida é relevante para a segunda metodologia proposta. A segunda metodologia computacional foi desenvolvida como uma ferramenta para ajudar a localizar fugas de água não reportadas e estimar o respetivo caudal. A nova metodologia computacional resulta da transferência de informação de um modelo matemático de simulação do comportamento hidráulico das redes de distribuição de água para um modelo de otimização. O modelo de simulação analisa o comportamento hidráulico da rede sob cenários hipotéticos de fugas de água em regime quase permanente. O modelo de otimização minimiza as diferenças entre os valores de pressão observados e os valores de pressão estimados, e as variáveis de decisão são as localizações e caudais das fugas não reportadas. A localização das condutas com fugas de água resulta da simulação de cenários hipotéticos de fugas. O modelo de otimização compara a pressão estimada para o cenário hipotético de fugas e as pressões observadas, e recorre a um algoritmo de recozimento simulado para pesquisar o espaço solução. A solução final do algoritmo de recozimento simulado permite estimar o caudal aproximado e a localização aproximada das condutas com fugas de água não reportadas na rede. Esta localização aproximada das condutas com fugas de água poderá ajudar no controlo ativo de perdas pois recomenda a utilização e aplicação das técnicas de localização exata a uma zona da rede. Para finalizar, os desempenhos das duas aplicações computacionais são testados. Vários estudos de caso são apresentados e analisados, incluindo um estudo de caso com uma rede real de distribuição de água. em funcionamento. Diferentes hipóteses são introduzidas e os resultados obtidos são discutidos.

Fresh water aims a sustainable management as it is a scarce resource and vital to the economic and social development. To have the quality standards imposed for human consumption, fresh water needs complex processing operations, transport and distribution. All operations have high costs and are done in the public supply distribution systems and water distribution networks. Due to its intrinsic work, water distribution networks will always have non revenue water. Still, the efficient use of water recommends a waste control, namely by reducing real losses and leaks. Nowadays in Portugal the annual water balance shows that almost 40% of the system input volume to the distribution network is non revenue water. This percentage is too high, even assuming that leaks in water distribution networks are a timeless problem. In the literature there are several approaches to an active leakage control, seeking to reduce inefficiency and to achieve the economic leak level. To water distribution networks, these approaches emphasize the pressure management, the infrastructure asset management, speed repairs and the leak detection and location. To contribute to the reduction of real losses by improving the active leakage control, namely by benefiting the performance of leak detection techniques, this work presents two new approaches as computational tools to support the location of leaky pipes in water distribution networks. The first proposed methodology is a computational tool based on TrustRank algorithm and on the hydraulic simulation model. This methodology was developed to help finding the optimal placement of pressure transducers in the context of leak location. The methodology can provide a good coverage of the pressure in the entire water distribution network with the selection of hotspots to install pressure transducers. The collected information is relevant to the second proposed methodology. The second computational methodology was developed as a tool to help locating unreported leaks and estimating its flow. The new computational methodology results from transfering information from a hydraulic simulation model to an optimization model. The hydraulic simulation model performs steady state analysis to estimate the water distribution network behaviour. The optimization model minimizes the difference between measured and estimated pressures, and its decision variables are the locations and flows from unreported leaks. The leaky pipe location is achieved by simulating hypothetical leakage scenarios. The optimization model compares the pressures estimated with the hypothetical leakage scenarios and the pressure observed, and runs a simulated annealing algorithm to search the solution space. The final solution of the simulated annealing algorithm estimates the approximate quantity and location of unreported leaky pipes. The approximate location of leaky pipes can aid the active leak control activities, as it recommends the use of leak detection techniques to an area, a small set of pipes belonging to the network. Finally, performances of both methodologies are evaluated. Several case studies are presented and studied, including a real water distribution network. Different hypothesis are introduced and the results are discussed.