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Water distribution network calibration model considering leakage and head-driven demands
No full textNo 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)Brazils 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
Leak detection and calibration of transient hydraulic system models
No full textA ocorrência de elevados índices de perdas por vazamentos em sistemas de abastecimento de água é frequentemente ligada às inúmeras quebras de tubulações originadas em decorrência de elevados níveis de pressão atuantes. O controle efetivo de tais perdas requer a detecção e localização dos vazamentos para uma rápida reparação do sistema. Neste sentido, a consideração de análises hidráulicas no escoamento transitório tem se revelado especialmente útil aos propósitos de calibração e detecção de vazamentos. Tal análise pode revelar substancial quantidade de informações sobre as propriedades físicas e o nível de integridade do sistema, pois as ondas de pressão resultantes são afetadas pelos diversos dispositivos e fenômenos, incluindo os vazamentos. Assim, o presente trabalho visa o estudo dos transitórios hidráulicos para a calibração e detecção de vazamentos em modelos de sistemas de distribuição de água. Para tanto, são utilizados dados de redes hipotéticas e de laboratório, e modelos inversos resolvidos por métodos de busca global e local. Devido o emprego de tubos plásticos no circuito de laboratório, o clássico modelo da coluna elástica demonstrou-se ineficiente na reprodução do comportamento hidráulico de tal sistema. Resultados satisfatórios foram obtidos somente com um modelo hidráulico que considere o comportamento viscoelástico dos materiais dos tubos do circuito experimental.The occurrence of large leakage losses in water supply systems has been frequently linked with pipe breaks resulting from high pressures levels in pipes. Efficient location of leakages is required in order to effectively control water losses and quickly repair the system. Analysis of hydraulic transients has been particularly useful for calibration and leak detection purposes. System observation for such analysis can reveal a substantial amount of information concerning physical properties and the integrity of the system, since water hammer waves are affected by different features and phenomena, including leaks. Thus, this research focuses on hydraulic transients for leak detection and calibration of water distribution system models. These objectives are achieved using data obtained from experiments performed on an experimental facility and numerical experiments on hypothetical networks. Inverse methods were based on both global and local search methods. Classic water hammer theory proved to be imprecise in describing the observed behavior of the hydraulic system composed of plastic pipes. Satisfactorily results were obtained with a hydraulic transient solver considering viscoelastic behavior of the pipe material
Optimal design of hydraulic transient protection devices in water pumping systems
No full textDissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2024.O transiente hidráulico num sistema de distribuição de água pode provocar rompimento ou
colapso das tubulações. Uma das maneiras de amparar sistemas hidráulicos é mediante a
utilização de dispositivos de proteção. Assim, deve-se atentar ao dimensionamento adequado
deles diante da proteção e de seus custos, já que estes dispositivos influenciam diretamente
no custo total do sistema. Neste trabalho, foi desenvolvida uma rotina computacional para a
otimização da escolha de dispositivos de proteção através de algoritmo genético
multiobjetivo, além de um simulador hidráulico com diferentes dispositivos de proteção
contra os regimes transientes gerados por desligamento brusco de bomba. O simulador
hidráulico foi acoplado a um método de otimização (algoritmo genético multiobjetivo) a fim
de dimensionar os dispositivos considerando mais de uma função objetivo na busca. Os
modelos desenvolvidos foram aplicados ao sistema existente da EEAT Mestre D’Armas,
localizada em Brasília-DF. Utilizou-se o Método das Características para a simulação
hidráulica e diferentes condições de contorno. Para a otimização, dois algoritmos genéticos
foram utilizados: NSGA-II e NSGA-III. Além disso, dois cenários com diferentes
combinações de dispositivos de proteção, duas e quatro funções objetivo foram
considerados. Os resultados indicaram a eficácia de ambos os algoritmos de otimização em
busca de soluções ótimas que atendem adequadamente às necessidades das adutoras diante
de transientes hidráulicos, pois apresentam soluções que atendem as restrições do problema.
No entanto, o algoritmo NSGA III proporcionou soluções mais diversas para as análises
deste estudo. Além disso, a pressão mínima é o parâmetro mais influente nas simulações, o
Reservatório Hidropneumático (RHO) mostrou-se como o equipamento principal na
proteção do sistema combatendo sobrepressões e subpressões, tanto as ventosas quanto o
Tanque de Alimentação Unidirecional (TAU) atuam satisfatoriamente junto com o RHO no
combate às subpressões, além de possuírem níveis equiparados de atuação neste sistema.
Ademais, se garantir a estanqueidade e o funcionamento adequado da adutora de água,
pressões ligeiramente negativas não afetarão o desempenho e a segurança do sistema, o que
permite a redução significativa do volume do RHO, e consequentemente, soluções menos
custosas. O sistema real possui um arranjo de dispositivos que o protege satisfatoriamente.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).A hydraulic transient in a pipeline may cause pipe rupture or collapse. One way to support
hydraulic systems and ensure their safety is by using protection devices. Therefore, it is
important to consider their appropriate design, considering both protection and costs, as
these devices directly impact the system's overall value. This study aims to develop a
computational routine for optimizing the selection of protection devices using multiobjective genetic algorithms and to build a hydraulic simulator with different protection
devices against transient regimes generated by abrupt pump shutdowns. The hydraulic
simulator was coupled with an optimization method (multi-objective genetic algorithm) to
size the devices considering more than one objective function in the search. The models were
applied to the Mestre D'Armas Water Pumping System in Brasília-DF. The Method of
Characteristics was used for hydraulic simulation under different boundary conditions. For
optimization, two genetic algorithms were employed: NSGA-II and NSGA-III. Additionally,
two scenarios with varying combinations of protection devices and two and four objective
functions were considered. The results demonstrated that both optimization algorithms
effectively sought optimal solutions that sufficiently met the requirements of water pipelines
under hydraulic transients. However, the NSGA III algorithm provided more diverse
solutions for the analyses in this study. Furthermore, the minimum pressure is the most
influential parameter in the simulations. The air chamber was the main equipment in
protecting the system against pressure rise and pressure drop. The air valve and the one-way
tank satisfactorily complement the air chamber in addressing pressure drop, demonstrating
comparable performance levels within this system. Moreover, suppose the watertightness
and proper functioning of the water main are guaranteed. In that case, slightly negative
pressures will not affect the performance and safety of the system and it will significantly
reduce the volume of the air chamber. Consequently, it will provide less costly solutions.
The real-life system is equipped with devices that provide adequate protection.Faculdade de Tecnologia (FT)Departamento de Engenharia Civil e Ambiental (FT ENC)Programa de Pós-Graduação em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídrico
Optimal design of water distribution networks using multiobjective genetic algorithms
No full textA busca por projetos eficientes de redes de distribuição de água (RDA) que refletem as complexidades dos sistemas reais tem estimulado o desenvolvimento e a aplicação de diversas técnicas de otimização. Entre elas, a otimização multi e de muitos objetivos possuem particular importância devido à sua capacidade de melhor representar tanto os sistemas de abastecimento como as necessidades das companhias de saneamento de forma mais realista. Neste contexto, os algoritmos genéticos surgiram como uma técnica de otimização promissora, oferecendo uma ampla gama de metodologias documentadas na literatura que obtiveram resultados satisfatórios em diversos campos de aplicação, entre eles a hidráulica e o saneamento. Para avaliar sistematicamente essas abordagens, foi desenvolvida uma metodologia para comparar seis algoritmos genéticos no contexto de otimização de RDA: NSGA-II, NSGA-III, U-NSGA-III, R-NSGA-III, MOEA/D e RVEA, utilizando duas funções objetivo distintas. A análise
comparativa utilizou como métricas principais o critério de eficiência (E), a função de distribuição acumulada (FDA), análises estatísticas de erro e complexidade de algoritmos. As descobertas revelaram que, embora a maioria dos algoritmos tenha convergido com sucesso para o ótimo global conhecido do estudo de caso empregado, o NSGA-II e o NSGA-III exibiram desempenho superior, principalmente na minimização de custos. Estes resultados demonstram a eficácia destes algoritmos em lidar com as complexidades inerentes à otimização de RDA, distinguindo-os neste campo de aplicação.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).The pursuit of efficient water distribution network (WDN) projects that reflect the
complexities of real systems has driven the development and application of various
optimization techniques. Among these, multi and many-objective optimization are
particularly significant due to their ability to better represent both supply systems and the
needs of sanitation companies in a more realistic manner. In this context, genetic algorithms
have emerged as a promising optimization technique, offering a wide range of
methodologies documented in literature that have achieved satisfactory results in various
application fields, including hydraulics and sanitation.
To systematically evaluate these approaches, a methodology was developed to compare six
genetic algorithms in the context of WDN optimization: NSGA-II, NSGA-III, U-NSGA-III,
R-NSGA-III, MOEA/D, and RVEA, using two distinct objective functions. The comparative
analysis employed key metrics such as the efficiency criterion (E), the cumulative
distribution function (CDF), statistical error analyses, and algorithm complexity. The
findings revealed that although most algorithms successfully converged to the known global
optimum from the employed case study, NSGA-II and NSGA-III demonstrated superior
performance, particularly in cost minimization. These results highlight the effectiveness of
these algorithms in addressing the complexities inherent to WDN optimization, setting them
apart in this field of application.Faculdade de Tecnologia (FT)Departamento de Engenharia Civil e Ambiental (FT ENC)Programa de Pós-Graduação em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídrico
Modelagem e análise de transitórios hidráulicos e cavitação em linhas de recalque com ventosas
Get PDFDissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2020.Embora o desenvolvimento teórico dos modelos hidráulicos para análise de transitórios tenha
avançado consideravelmente nas últimas décadas, ainda são verificadas consideráveis
divergências entre os dados obtidos em campo ou laboratório e os resultados das simulações
hidráulico-computacionais. O presente trabalho se propôs a desenvolver um modelo hidráulico
que incorpora a cavitação gasosa por meio do Discrete Gas Cavity Model (DGCM), além da
consideração do fator de atrito variável com o objetivo de analisar as pressões transitórias
causadas pela parada súbita de conjuntos motor-bomba em linhas de recalque, sendo um sistema
real de bombeamento de esgoto. O simulador desenvolvido teve suas rotinas e resultados
validados por etapas seguindo a ordem de implementação das condições de contorno e efeitos
dinâmicos através de software de simulação e análise de transitórios e de dados obtidos de
instalação experimental. O modelo foi, então, aplicado para o estudo de um sistema real – Linha
de Recalque do Saldanha (Lisboa/Portugal) – para simulação e análise hidráulica em escoamento
transitório. Dados de campo mostraram a ocorrência de pressões transitórias abaixo da pressão
atmosférica, mas sem resultarem em separação da coluna líquida. Visando a calibração do
modelo hidráulico, foi necessário o estudo das condições de contorno do sistema, como a lei de
fechamento das válvulas de retenção dos conjuntos motor-bomba, a admissão e a expulsão de ar
pelas ventosas ao longo da linha de recalque e a variação da coluna líquida na extremidade de
jusante da linha de recalque com descarga livre para a atmosfera. Sucessivas simulações foram
realizadas para a reprodução das condições de escoamento por meio da comparação dos
resultados numéricos com os dados coletados em campo. Os resultados obtidos demonstraram
que as válvulas de retenção não eram estanques em seu fechamento máximo, que as ventosas
admitiam grande quantidade de ar promovendo proteção local contra separação da coluna
líquida, mas não evitaram pressões negativas na elevatória, que os efeitos do fator de atrito
variável foram menos impactantes no sinal de pressão do que o ar admitido no escoamento pelas
ventosas, e que o trecho final da linha de recalque, composto por uma tubulação disposta na
vertical e por extremidade com descarga para a atmosfera, apresentou variação em seu nível e
correspondente estabilização em cota inferior ao da extremidade.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes)Although the theoretical development of hydraulic models for transient analysis has advanced
considerably in the last decades, considerable divergences between the data obtained in the field
or laboratory and the results of the hydraulic-computer simulations are still verified. The current
work proposed to develop a hydraulic model that incorporates gas cavitation using the Discrete
Gas Cavity Model (DGCM), in addition to considering the variable friction factor in order to
analyze the transient pressures caused by the pump trip-off in rising mains, being a real sewage
pumping system. The developed simulator had its routines and results validated in stages
following the order of implementation of the boundary conditions and dynamic effects through
simulation and transient analysis software and data obtained from an experimental installation.
The model was then applied to the study of a real system - Saldanha Rising Main
(Lisbon/Portugal) - for simulation and hydraulic analysis in transitory flow. Field data showed
the occurrence of transient pressures below atmospheric pressure, but without resulting in
separation of the liquid column. In order to calibrate the hydraulic model, it was necessary to
study the boundary conditions of the system, such the closure of the check valves of the motor-
pump assemblies, the air intake and expulsion through the air valves along the rising main and
the variation of the liquid column at the downstream end of the rising main with free discharge
to the atmosphere. Successive simulations were performed to reproduce the flow conditions by
comparing the numerical results with the data collected in the field. The results obtained
demonstrated that the check valves were not watertight in their maximum closure, that the air
valves allowed a large amount of air promoting local protection against separation of the liquid
column, but did not prevent negative pressures on the system, that the effects of the unsteady
friction were less impacting on the pressure signal than the air admitted by the air valves, and
that the final section of the discharge line, composed of a pipe arranged vertically and a discharge
to the atmosphere, presented variation in its level and corresponding stabilization at a lower level
than the pipeline end
Water quality modeling in a section of the Bois river, Goiás
No full textWater modeling is a great tool for water resources management, since it allows a simulation of
future water sources, better defining the capacity of assimilation through the limits of source
releases for extractions of certain fugacies to subsidize the licensing of service with the
competent entities. Thus, the main objective of the present work was the model for dissolved
oxygen (DO), biochemical oxygen demand (BOD), pH, temperature, organic nitrogen (Norg)
and ammoniacal nitrogen (NH4) through numerical simulations with the The QUALQKW e
evaluates the quality of dry blood dry-larvae of zebrafish (Danio rerio) in a stretch of the BoisGoiás
river, to verify how the water quality conditions of the study stretch with the quality
classes of the solution CONAMA 357/2005. "In order to do so, the quality monitoring data and
the hydraulic nature of the study were obtained in four years, in October and November of 2015
and in January and March of 2016, thus, the input data for the QUAL2Kw model. the two
campaigns were carried out in February and September 2017 to conduct the ecotoxicity tests
and the physical-chemical and microbiological results as well as trace metal analysis. In
general, the calibration parameters are adjustable, especially for a solution of The date is most
recent in 2015, where OD accounts persist below 5 mg / L over a long stretch and the BOD and
NH4 also do not conform to the legal approach of CONAMA Resolution 357/05 In most of the
series, BOD remained above 5 mg / L for at least 5 km in length, disagree with the legislation
for exceeding the distance of the mixing zone, located on average at 1.5 ± 0.5 km from the point
of l In the second half of 2015, uncertainty analyzes were performed for the OD, where only
9.4% of the simulations are more important than 5 mg / L and sensitivity analyzes by the Monte
Carlo Simulation. the coefficient of deoxygenation and reapersion, in each of the sample
channels, evidencing a significance of the reuse coefficient in the determination of OD
concentrations. The quality and the ecotoxicity of the water of the section studied in February
and September of 2017, after the effluent discharge point, was carried out in some of its
parameters of water and some metals during the year as a whole, iron, lead and water. Cancer,
and consequently, the success of seafood in the development of zebrafish embryos. Thus, the
present work was done with the model QUAL2Kw presented as a good tool for the execution
of nominal tests in the value of 0,808 ± 0,005 for all the sample management. The Monte Carlo
uncertainty analysis demonstrates that it is possible to present the results in a probabilistic way,
knowing or assuming risks that are disregarded by the deterministic approach.A modelagem da qualidade da água é uma importante ferramenta para a gestão dos recursos
hídricos, uma vez que possibilita simular situações futuras do uso da água, definindo melhor a
capacidade de assimilação do curso d’água por meio dos limites de lançamentos de fontes
pontuais ou para extrações de determinadas vazões para subsidiar o licenciamento de
atividades junto aos órgãos competentes. Dessa forma, o presente trabalho teve como
principal objetivo obter um modelo para o oxigênio dissolvido (OD), demanda bioquímica de
oxigênio (DBO), pH, temperatura, nitrogênio orgânico (Norg) e nitrogênio amoniacal (NH4)
através de simulações numéricas com o modelo QUAL2Kw e avaliar a qualidade da água
através de análises físico-químicas e microbiológicas juntamente com ensaios de
ecotoxicidade utilizando o estágio embrio-larval de zebrafish (Danio rerio) em um trecho do
rio dos Bois – Goiás, para verificar as condições de qualidade da água do trecho de estudo
frente às classes de qualidade da Resolução CONAMA 357/2005. Para tanto, os dados de
monitoramento da qualidade da água e características hidráulicas do trecho estudado foram
obtidos em quatro campanhas amostrais, em outubro e novembro de 2015 e janeiro e março
de 2016, fornecendo assim, os dados de entrada para calibrar o modelo QUAL2Kw. Além
disso, foram realizadas duas campanhas amostrais em fevereiro e setembro de 2017 para a
realização dos ensaios de ecotoxicidade e dos parâmetros físico-químicos e microbiológicos,
bem como as análises de metais traços. De forma geral, os resultados da calibração
apresentaram um bom ajuste, principalmente para a variável de oxigênio dissolvido. A
situação mais crítica ocorreu no mês de outubro de 2015, onde as concentrações de OD
persistem abaixo de 5 mg/L por um longo trecho de extensão e a DBO e o NH4 também
apresentaram não conformidade em relação ao atendimento legal da Resolução CONAMA
357/05. Em todas as campanhas amostrais a DBO manteve-se acima de 5mg/L por no
mínimo 5 km de extensão, estando em desacordo com a legislação por ultrapassar a distância
da zona de mistura, situada em média à 1,5 ± 0,5 km do ponto de lançamento total de
efluentes. Foram ainda realizadas análises de incerteza para o OD enfatizando o cenário
crítico do mês de outubro de 2015 , em que, apenas 9,4 % das simulações conduziram a um
ODmín maior que 5 mg/L e análises de sensibilidade pela Simulação Monte Carlo para o
coeficiente de desoxigenação e reaeração, em cada campanha amostral, evidenciando a
significância do coeficiente de reaeração na determinação das concentrações de OD. Quanto à
qualidade e ecotoxicidade da água do trecho estudado em fevereiro e setembro de 2017, após
o ponto de lançamento de efluentes, houve aumento nas concentrações de alguns parâmetros
de qualidade da água e de alguns metais traços analisados como fósforo total, ferro, chumbo
e cobre, e consequentemente maiores efeitos significativos no desenvolvimento de embriões
de zebrafish. Dessa forma, o presente trabalho permitiu concluir que o modelo QUAL2Kw
apresentou-se como uma boa ferramenta para simulação de lançamentos pontuais no rio dos
Bois apresentado um bom ajuste no ato da calibração, com o valor de RMEQ médio de 0,808
± 0,005 para todas as campanhas amostrais. A realização da análise de incerteza por
simulação Monte Carlo demonstrou que é possível apresentar os resultados em forma
probabilística, conhecendo o risco assumido que é desconsiderado pela abordagem
determinística
Comparison of empirical-theoretical methods of estimation of evapotranspiration reference to the Penman-Monteith model
No full textThe reference evapotranspiration is a fundamental parameter in the calculation of the water
balance of watersheds or region as well as in determining the actual evapotranspiration of a
crop or vegetation. This climatic parameter also serves as a basis for the determination of the
volume and moment of irrigation of a crop. The objective of this research was on daily and
monthly basis to evaluate the performance and perform the calibration methods of
Hargreaves-Samani, Blaney-Criddle and Thornthwaite original and modified. The verification
of performance of the models, both in their original and calibrated forms, was by comparison
to the Penman-Monteith FAO 56 method. To evaluate the performance of the methods were
used the correlation coefficient (r), the index of agreement (d), the confidence index (c), the
mean absolute error (MAE), the mean square error (MSE), the mean square root error
(RMSE), the maximum error (ME) and the coefficient of determination (R2). For this research,
a series of data of ten years has been used from January 2007 to December 2016, and the
first five years were used to evaluate and calibrate the methods and the last five years used
to validate the adjusted methods. The meteorological data used come from a conventional
station belonging to the National Institute of Meteorology (INMET), located in the southwest of
the state of Goiás, more precisely in the city of Jataí-GO. The validation of calibration was
performed only by the Hargreaves-Samani and Blaney-Criddle models, because they had the
best adjustments over the standard Penman-Monteith FAO-56 method.A evapotranspiração de referência é parâmetro fundamental no cômputo do balanço hídrico
de bacias hidrográficas ou região, bem como na determinação da evapotranspiração real de
uma cultura ou vegetação. Este parâmetro climatológico, serve de base também para a
determinação do volume e momento de irrigar uma cultura. O objetivo dessa pesquisa foi, em
escala diária e mensal, avaliar o desempenho e realizar a calibração dos métodos Hargreaves-
Samani, Blaney-Criddle e Thornthwaite original e modificado. A verificação do desempenho
desses modelos, tanto em suas formas originais quanto calibradas, foi por meio da
comparação ao método de Penman-Monteith FAO 56. Para avaliar o desempenho dos métodos
foram utilizados o coeficiente de correlação (r), o índice de concordância (d), o índice de
confiança (c), o erro absoluto médio (EAM), o erro quadrático médio (EQM), a raiz do erro
quadrado médio (REQM), o erro máximo (EM) e o coeficiente de determinação (R2). Para estapesquisa foi utilizada uma série de dados de dez anos, de janeiro de 2007 a dezembro de
2016, sendo que os cinco primeiros anos foram utilizados para avaliar e calibrar os métodos e
os últimos cinco anos utilizados para validar os métodos ajustados. Os dados meteorológicos
utilizados são provenientes de uma estação convencional, pertencente ao Instituto Nacional
de Meteorologia (INMET), localizada no sudoeste do estado de Goiás, mais precisamente na
cidade de Jataí-GO. A validação da calibração foi realizada apenas pelos modelos de
Hargreaves-Samani e Blaney-Criddle, pois estes tiveram os melhores ajustes em relação ao
método padrão Penman-Monteith FAO-56
Evaluation of the smart metering benefits in water distribution networks : study, water consumption modeling, and water loss control
No full textDissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2022.A modelagem de sistemas de distribuição de água é assunto de inúmeros trabalhos científicos
que visam aproximar os valores observados com auxílio de equipamentos de medição de
pressão e vazão àqueles calculados a partir de modelos hidráulicos desenvolvidos. A
evolução da modelagem de redes de distribuição de água tem início com utilização de
modelos experimentais e cálculos manuais, passando pela utilização de softwares com essa
finalidade e chegando a modelos que envolvem o aperfeiçoamento da linguagem de
programação dos softwares utilizando técnicas de otimização.
Neste contexto, a medição inteligente do consumo de água é capaz de fornecer dados de
consumo em uma resolução espacial e temporal mais específica, isto é: em nível de
consumidor individual e em pequenos intervalos de tempo, possibilitando a utilização de
ferramentas de análise de dados para caracterizações mais precisas dos perfis de consumo e
a construção de modelos para detecção de vazamentos, aprimorando a gestão da demanda.
O presente trabalho teve seu foco na Quadra 12 do Setor Habitacional Jardins Mangueiral -
SHJM - na Região Administrativa de São Sebastião/DF, sendo meta avaliar os benefícios do
sistema de medição por telemetria implantado no projeto piloto da individualização de
hidrômetros, propondo estudo, modelagem e ferramentas de gestão dos dados de consumo
obtidos.
Para tanto, foi realizada a avaliação qualitativa e quantitativa dos benefícios da implantação
do sistema de leitura remota, considerando dois cenários, um que envolvia apenas sua
implantação e outro envolvendo o desenvolvimento de outros requisitos apontados pela
bibliografia. Também foi feita a modelagem do consumo de água para uma amostra de
hidrômetros das unidades do condomínio com base em três tipos de modelo: ARIMA,
SARIMA e Regressão Linear Multivariada. Ainda, foi constituído o Distrito de Medição e
Controle (DMC) temporário, possibilitando a determinação do balanço hídrico para rede de
distribuição, que resultou na avaliação das perdas reais e aparente. Finalmente, utilizando o
método de Comparação entre Padrões de Distribuição de Vazão (CFPD) e médias móveis,
foi elaborado sistema, que se mostrou usual, de alarme de vazamentos internos e de
funcionamento dos medidores para as unidades individuais amostradas.Modeling water distribution systems is the subject of numerous scientific works that aim to
approximate the values observed with the aid of pressure and flow measurement equipment
to those calculated from hydraulic models. The evolution of water distribution models begins
with the use of experimental models and manual calculations, passing by using software and
resulting in models which involve improving the software’s programming language using
optimization techniques.
In this context, smart metering can provide consumption data in a more specific spatial and
temporal resolution, that is, at the individual consumer level and in smaller time intervals,
enabling the use of data analysis tools for more accurate characterizations of consumption
profiles and the construction of models for leak detections, improving demand management.
The present work focused on Quadra 12 of the Jardins Mangueiral Housing Sector (SHJM)
in the Administrative Region of São Sebastião, in the Federal District, to evaluate the
benefits of the smart metering system implemented in the pilot project of the
individualization of water meters, proposing a study, modeling, and management tools for
the consumption data obtained.
Therefore, a qualitative and quantitative evaluation of the benefits of implementing the
remote metering system was carried out, the evaluations considered two scenarios, one
involving only its implementation and the other involving the development of other
requirements indicated by the bibliography. Water consumption was also modeled for a
sample of water meters in the condominium units based on three types of models: ARIMA,
SARIMA, and Multivariate Linear Regression. Likewise, a temporary Measurement and
Control District (DMC) was created, enabling the determination of the water balance for the
studied distribution network, which resulted in the assessment of real and apparent losses.
Finally, using the Comparation of Flow Pattern Distribution (CFPD) method and moving
averages, a system for internal leakage and meter operation alarm, which proved to be usual,
was developed.Faculdade de Tecnologia (FT)Departamento de Engenharia Civil e Ambiental (FT ENC)Programa de Pós-Graduação em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídrico
Machine learning techniques applied to leakage prediction in water distribution network service connections
No full textDissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2022.As perdas de água em sistemas de abastecimento são um desafio aos prestadores de
serviços de saneamento dado que as ações para gestão da infraestrutura e perdas
demandam recursos (humanos, financeiros, tecnológicos e materiais) significativos para
que investimentos eficientes e assertivos sejam aplicados. No que tange as perdas reais
de água, um conceito amplamente aplicado é o Controle Ativo de Vazamentos, que possui
em uma de suas componentes a pesquisa de vazamentos não visíveis nas redes de
distribuição e em ramais de ligação à unidade consumidora. A pesquisa de vazamentos
habitualmente é aplicada extensivamente na infraestrutura, dado que é necessário realizar
inspeções para a identificação de vazamentos. Esta condição é dispendiosa por natureza.
Portanto, meios para direcionamento das investigações sobre perdas reais têm sido
amplamente estudados para direcionar e envidar esforços com maior produtividade e
eficiência. No âmbito das pesquisas para proposição de ferramentas nesta temática,
técnicas de Aprendizado de Máquina compõem métodos que se mostram interessantes
para auxiliar a compreensão do tomador de decisão quanto aos fatores intervenientes ao
surgimento de vazamentos, o que tem corroborado, conforme revisão bibliográfica
realizada, com o aprimoramento dos processos de gestão da infraestrutura e controle de
perdas. Neste contexto, a presente pesquisa aplicou à uma base de dados da Caesb,
consistida por 38 variáveis (operacionais, físicas, ambientais e ambientais), 12 modelos
de classificação por Aprendizado de Máquina (Linear SVM, Radial SVM, Logistic
Regression, KNN, Decision Tree, Naive Bayes, Random Forest, bagged KNN, bagged
Decision Tree, AdaBoost, Gradient Boosting, e XGBoost), processados em Python 3.7 e
bibliotecas para Aprendizado de Máquina e Ciência de Dados. Os resultados obtidos
identificam que modelos do tipo Ensemble Learning performaram melhor, com mais destaque
para o AdaBoost, obtendo acurácia final de 59,70% para toda a base de dados após hiperparametrização. O processamento da base de dados incluindo variáveis hidráulicas obtidas por
meio de simulação das redes de distribuição incrementou em média 2,03% de acurácia,
indicando que tais componentes agregam valor à análise preditiva de vazamentos. A
discretização espacial dos dados por área de atendimento de reservatório apoiado permitiu a
obtenção de melhores acurácias, obtendo-se acurácias de até 63,6% em algumas regiões. A avaliação da significância das variáveis preditoras (pressões operacionais, material das
tubulações, tipo de solo sob os tubos, idade da rede e do ramal de serviço, declividade do solo,
e outras variáveis) permite a avaliação da dinâmica da falha (vazamento), fornecendo
informações sobre as condições de maior vulnerabilidade, podendo-se priorizar ações para
Controle Ativo de Vazamentos (priorização da infraestrutura para ações de Pesquisa de
Vazamentos) e Gestão de Ativos/Reabilitação de Infraestrutura (priorização de tubulações para
substituição ou reabilitação).Non-Revenue Water in water supply systems is a challenge for sanitation service
providers. It requires several actions and resources (human, financial, technological, and
material) for efficient and assertive investments to cope with infrastructure deterioration
and water leakage. Regarding physical water losses, a widely applied concept is the
Active Leakage Control, which demands actions to find non-visible leaks in the
distribution networks and water service connections. Leak localization is usually
extensively applied to infrastructure to find them, but this process is time-consuming and
field inspections are costly. Therefore, means to drive investigations on physical losses
have been studied to direct and carry out efforts to enhance productivity and efficiency to
find and repair leaks. In the context of research and tool propositions on this agenda,
Machine Learning techniques are promising to support the decision maker's
comprehension of predictive factors to water leakage. According to the literature review
carried out, Machine Learning models can improve infrastructure asset management and
water loss control processes. In this setting, this research applied to Caesb’s infrastructure
database, consisting of 38 variables (operational, physical, environmental, and
environmental), 12 classification models by Machine Learning (Linear SVM, Radial
SVM, Logistic Regression, KNN, Decision Tree, Naive Bayes, Random Forest, bagged
KNN, bagged Decision Tree, AdaBoost, Gradient Boosting, e XGBoost). Data processing
was done through Python 3.7 and libraries for Machine Learning and Data Science.
Ensemble Learning models performed better, and AdaBoost obtained 59,70% as final
score after hyper-parametrization for the entire database. Hydraulic variables contributed
to increase an average of 2.03% of accuracy, indicating that such components add value
to the predictive analysis of leaks. Data organized by distribution network area obtained
accuracies up to 63.6%. The evaluation of predictor variables (operating pressures,
material of the pipes, type of soil under the pipes, age of the network, soil slope, and other
variables) can provide information on the most vulnerable conditions, giving priority to
actions for Active Leakage Control and Asset Management/Infrastructure Rehabilitation.Faculdade de Tecnologia (FT)Departamento de Engenharia Civil e Ambiental (FT ENC)Programa de Pós-Graduação em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídrico
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