RESUMO Neste trabalho foi desenvolvido um modelo multiobjetivo para otimização da operação de sistemas de distribuição de água (SDAs), visando alcançar a eficiência hidroenergética considerando três objetivos: redução das perdas por vazamento; redução do custo de energia elétrica no bombeamento; e maximização da confiabilidade do sistema. O modelo de otimização foi concebido pela implementação de uma rotina computacional entre os algoritmos genéticos NSGAII e SPEA e o simulador hidráulico EPANET. O modelo foi aplicado a um SDA hipotético e demonstrou ser adequado para gerar um conjunto ótimo de regras operacionais. Dentre as soluções geradas pelos dois algoritmos, constatou-se que a diminuição do custo de energia elétrica no bombeamento não implicou, necessariamente, redução das perdas por vazamentos, ou seja, os dois objetivos podem ser conflitantes em SDAs caracterizados pela presença de reservatórios internos.

ABSTRACT In this work, a multi-objective model for operational optimization of water distribution systems has been developed in order to achieve hydro energy efficiency. Three objectives were considered: minimizing of leakage, minimizing of pumping energy costs, and maximizing system reliability. The optimization model was conceived by the implementation of a computational routine between a dyhraulic simulator (EPANET) and by genetic algorithms NSGAII and SPEA. The proposed model has been applied to the optimization of a hypothetical water distribution network to generate an optimal set of operational rules. Some solutions obtained by the two algorithms showed that a decrease in pumping energy costs did not necessarily imply in leakage reduction. This means that both objectives can be conflicting in water distribution systems with internal tanks.

RESUMO Ante o crescimento populacional urbano e a importância da água como recurso natural limitado, verifica-se a necessidade de implementar técnicas com a finalidade de reduzir os custos operacionais dos sistemas de distribuição de água e garantir abastecimento adequado. A otimização da operação de bombas pode ser utilizada com o propósito de atender às demandas de consumo com menor custo energético, além de maximizar a confiabilidade hidráulica. Neste trabalho, um modelo híbrido de otimização/simulação foi desenvolvido tendo como suporte os algoritmos genéticos multiobjetivo e o simulador hidráulico EPANET. O método Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA II) foi utilizado para a otimização da operação de bombas de rotação variável, ou seja, as variáveis de decisão do problema foram as rotações das bombas para cada hora ao longo do dia. Uma modificação do simulador hidráulico EPANET original, que não computa corretamente o rendimento de bombas de rotação variável, foi empregada para que as potências de cada bomba e, consequentemente, o custo da energia elétrica fossem calculados corretamente. Conjuntos de soluções não dominadas (frente Pareto) foram obtidos considerando-se, primeiramente, a penalidade de pressão negativa nos nós e, posteriormente, as penalidades de pressão negativa nos nós e o fechamento/desligamento de tubos e/ou bombas. Aplicou-se o método à rede hipotética denominada Anytown, e custos menores, considerando tarifas brasileiras, foram obtidos.

ABSTRACT Faced with the urban population growth and the importance of water as a limited natural resource, there is a need to implement techniques to reduce the operational costs of water distribution systems and ensure adequate supply. The optimization of pump operation can be used to meet the demands of consumption with a lower energy cost, in addition to maximizing hydraulic reliability. In this work, a hybrid optimization/simulation model was developed based on the multiobjective genetic algorithms and the EPANET hydraulic simulator. The NSGA II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II) method was used to optimize the operation of variable rotation pumps, that is, the decision variables of the problem were the rotation of the pumps for each hour throughout the day. A modification of the original EPANET hydraulic simulator, which does not correctly compute the efficiency of variable-speed pumps, was employed so that the power of each pump, and consequently the cost of electric power, was calculated correctly. Non-dominated solution sets (Pareto Front) were obtained considering first the negative pressure penalty at the nodes and, subsequently, the negative pressure penalties at the nodes and the closure/shutdown of tubes and/or pumps. The method has been applied in the hypothetical network called ANYTOWN and lower energy costs were obtained considering Brazilian energy tariffs.

RESUMO Em sistemas de distribuição de água, economia de energia elétrica pode ser alcançada pela substituição de bombas de rotação constante por bombas de rotação variável (BRV). Os elevados custos de instalação e operação de BRV requerem uma avaliação econômica prévia do projeto, a qual geralmente é acompanhada do uso de simuladores para análises hidráulicas do sistema. Um dos programas mais utilizados para esse fim é o EPANET 2, que é impreciso para computar a eficiência de BRV, pois o programa não leva em conta a mudança na curva de eficiência da bomba quando sua velocidade de rotação é alterada. Neste trabalho, uma rotina para o cálculo da eficiência de BRV, baseada em metodologia da literatura, foi implementada no código-fonte do EPANET 2. A influência da nova rotina nos resultados previstos pelo programa para eficiência, potência e consumo de energia de BRV foi avaliada em simulações com uma rede hipotética. Os resultados mostram que a versão original do EPANET 2 tende a subestimar a eficiência e, consequentemente, superestimar a potência e o consumo de energia de BRV. A versão modificada do EPANET 2 proporciona uma melhor previsão do comportamento de BRV e, portanto, o seu uso é recomendado na simulação de redes de distribuição de água equipadas com BRV.

ABSTRACT In water distribution systems, energy savings can be achieved by substituting fixed-speed pumps by variable-speed pumps (VSP). The high costs of installation and operation of VSP require a preliminary economic assessment of the project, which is usually complemented by the use of a computer simulation software for hydraulic analyses of the system. One of the most used software programs for this purpose is EPANET 2, which is inaccurate when computing VSP efficiency. This is because the software does not take into account the changes in the pump efficiency curve when the pump speed is changed. In this study, a routine for calculating VSP efficiency, based on literature methodology, was implemented in the source code of EPANET 2. The influence of the new routine on the results predicted by the software for efficiency, power and energy consumption of VSP was evaluated in simulations with a hypothetical network. The results show that the original version of EPANET 2 tends to underestimate the efficiency and thus overestimate the power and energy consumption of VSP. The modified version of EPANET 2 provides a better prediction of VSP behavior; thus, its use is recommended in the simulation of water distribution networks equipped with VSP.

RESUMO O estudo teve por objetivo a realização da calibração do modelo hidrológico Storm Water Management Model (SWMM) para a Bacia Hidrográfica do Arroio Cancela, localizada em Santa Maria, Rio Grande do Sul, utilizando o algoritmo evolucionário multiobjetivo R-NSGA. Para tanto, foram realizadas modificações na estrutura do SWMM, de modo que permitisse seu acoplamento como Evolucionary Reference Point Based Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (R-NSGA) em ambiente de programação MATLAB. As funções objetivo utilizadas foram o Coeficiente de Eficiência de Nash-Sutcliffe (COE), o Erro da Vazão de Pico (EQP) e o Erro do Volume Escoado (EVOL) aplicadas simultaneamente na calibração do modelo. Foi proposto um método para determinação da maior compatibilidade de modo a elencar as melhores soluções. Os resultados dos parâmetros calibrados do SWMM foram próximos aos valores físicos da bacia, com exceção dos valores relativos à equação de Horton. As soluções de maior compatibilidade apresentam um melhor comportamento para os eventos de validação, evidenciando a importância da otimização multiobjetivo.

ABSTRACT This paper focused on the calibration of Storm Water Management Model (SWMM) for the Cancela River Basin, located in Santa Maria, Rio Grande do Sul, Brazil, using the multi-objective Evolucionary Reference Point Based Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm R-NSGA. Modifications were made in SWMM structure to allow its linking with R-NSGA in MATLAB. The objective functions proposed were the efficiency coefficient of Nash-Sutcliffe (eNS), the Peak Flow Error (EQ) and Runoff Volume error (EVOL), which were applied simultaneously to the model calibration. A method for determining the maximum compatibility to rank the best solutions is proposed. The parameters estimated by SWMM calibration were close to physical values of the basin, except those relating to the Horton equation in the most compatible solutions have a better behavior for the validation event, highlighting the importance of multi-objective optimization.

RESUMO O uso de modelos hidrodinâmicos para a determinação das vazões em cursos d’água tem crescido nos últimos anos devido aos problemas relativos à utilização do método da curva-chave para monitoramento das vazões. Este trabalho tem por objetivo desenvolver um método para determinação das vazões em canais abertos utilizando algoritmos evolucionários multiobjetivos (NSGA-II) e medições de nível da superfície livre associadas a um modelo hidrodinâmico. Dados obtidos de ensaios em um canal experimental de laboratório foram utilizados para calibração e validação do modelo. O algoritmo de otimização NSGA-II apresentou excelentes resultados, obtendo-se coeficientes de Nash-Sutcliffe superiores a 0,99 tanto para a calibração quanto para a validação do modelo hidrodinâmico. As vazões calculadas pelo modelo hidrodinâmico apresentaram uma variação de até 150% para um mesmo nível quando comparadas às vazões estimadas pela curva-chave, o que demonstrou que o uso da curva-chave para medição de vazão em regime variável apresenta erros elevados.

ABSTRACT The use of hydrodynamic models to determine stream discharges has been grown in recent years due to the problems regarding the use of rating curve method for discharge estimating. This study aims to develop a method for determining discharges in open channels using multiobjective evolutionary algorithms (NSGA-II) and free surface level measurements associated with a hydrodynamic model. Data obtained from experiments on a laboratory experimental channel have been used for model calibration and validation. NSGA-II optimization algorithm presented excellent results and Nash-Sutcliffe coefficients greater than 0.99 have been obtained for both calibration and validation of the hydrodynamic model. Discharges calculated by the hydrodynamic model showed variations of up to 150% for the same level when compared to the discharges estimated by the rating curve, which showed that the use of rating curve for discharge measurements during transient flows results in high errors.

O crescimento do contingente populacional das cidades requer o gerenciamento eficiente dos recursos hídricos, particularmente quando a exploração de novas fontes de abastecimento mostra-se dispendiosa e os recursos naturais cada vez mais escassos. Em contrapartida, em diversas cidades brasileiras, são comuns redes de distribuição de água para abastecimento com elevados índices de perdas, sejam elas não-físicas ou físicas (perdas por vazamento). O presente estudo visa avaliar as perdas por vazamentos de um setor da rede de distribuição de água da cidade de Campo Grande-MS. Para tanto, utiliza-se um procedimento iterativo de avaliação hidráulica que considera as perdas por vazamento e a dependência das demandas com a pressão, utilizando o simulador hidráulico EPANET 2 (Rossman, 2000), com vistas à calibração em termos dos parâmetros do modelo de vazamentos, bem como dos coeficientes de perda de carga localizada relativa a componentes hidráulicos presentes na rede. Para a resolução do problema inverso correspondente são utilizados os Algoritmos Genéticos (AGs).

The increasing population of the cities requires an efficient water resources management, particularly when new supply source explorations are costly and natural resources are growing scarce. On the other hand, in several Brazilian cities, water distribution networks usually present a high percentage of water losses due to non-physical or physical losses (leakage).The present study seeks to evaluate the leakage of a water distribution network sector in the city of Campo Grande-MS. An iterative procedure for hydraulic analysis based both on leakage and on pressure-dependent demand has been used in conjunction with the hydraulic simulator EPANET 2 (Rossman, 2000). The calibration is conducted in terms of the parameters of the leakage model, as well as the head loss coefficients due to hydraulic components in the network. Genetic Algorithms (GAs) have been used to solve the corresponding inverse problem.