An iterative optimisation procedure for the rehabilitation of water-supply pipe networks

This paper presents an iterative method for the optimisation of the total costs for the rehabilitation of water-supply pipe networks with flow and pressure deficiency at the consumer nodes. The procedure is based on the exchange gradient concept of Granados for the economic design of pressurised networks. The substitution of pipe sections, relining and increase in pumping head are considered as being rehabilitation options. An initial solution is obtained for the deficient network by determining the required pumping head that would meet the pressure and discharge requirements at all the nodes. Subsequently, the pumping head is reduced in stages and for each reduction; the network of minimum cost is obtained by the substitution or relining of individual pipes in part or in full. The optimal solution is reached when the marginal annual cost of pipe rehabilitation exceeds the reduction in annual pumping costs.Keywords: rehabilitation, networks, optimisation models, pipe network

Análise do nexo água-energia-gases de efeito estufa em um sistema de abastecimento de água no Nordeste do Brasil

Nos últimos anos, as concessionárias de água têm sofrido pressão para melhorar a eficiência de seus processos, principalmente por causa da diminuição da disponibilidade hídrica e da necessidade de se aumentar a sustentabilidade ambiental de seus processos. A redução de vazamentos é claramente uma parte importante do manejo sustentável no setor de água, e seus impactos devem ser enfrentados com uma visão mais ampla de proteção ambiental. Este estudo tem como objetivo apresentar uma avaliação ambiental e energética do sistema de abastecimento de água da cidade de Caruaru, Nordeste do Brasil, para diferentes níveis de perda de água. Esta pesquisa é uma das primeiras a avaliar os impactos ambientais de um sistema de abastecimento de água na América Latina. Os dados primários adotados para a preparação do inventário foram fornecidos pela concessionária de água, e a modelagem e análise foram realizadas com o programa SimaPro 8.0®. A demanda acumulada de energia (CED) foi usada para rastrear o consumo de energia do ciclo de vida do sistema. As emissões de gases de efeito estufa foram calculadas pelo método IPCC GWP 100ª, com emissões expressas como CO2–Eq. Os conjuntos de dados dos inventários de ciclo de vida foram usados do banco de dados Ecoinvent 3.1. Analisaram-se quatro cenários com diferentes níveis de perda de água. O cenário S0 representou as condições reais do sistema e os demais consideraram índices hipotéticos. Os percentuais propostos para os cenários S1, S2 e S3 foram baseados em indicadores que apontam: bom índice de perdas na rede de distribuição para a realidade brasileira (25%), redução pela metade dos índices de perdas e excelentes índices de perdas no sistema hidráulico (5%) e rede de distribuição (10%). O consumo de energia  elétrica dos sistemas de bombeamento das adutoras apresentou o maior impacto ambiental em todos os cenários estudados. O cenário mais eficiente resultaria em redução de 52% na emissão de gases de efeito estufa, demonstrando que o aumento da eficiência hidráulica das redes de distribuição representa uma oportunidade significativa para reduzir os impactos ambientais dos processos.In recent years, water utilities have been under pressure to increase the efficiency of their processes, mainly due to the decrease in water availability and the need to increase environmental sustainability in their processes. Leak reduction is clearly an important part of sustainable management in the water industry, and its impacts should be assessed with a broader environmental protection objective. This study aimed to present an environmental and energy assessment of the water supply system (WSS) in Caruaru City, northeast of Brazil, for different levels of water loss. This research is one of the first to assess the environmental impacts of a WSS in Latin America. Primary data adopted for preparing the inventory were provided by the water utility, and modeling and analysis were performed with the SimaPro 8.0® program. Cumulative energy demand (CED) was used to track the energy consumption of the system’s life cycle. Greenhouse gas (GHG) emissions were calculated through the IPCC GWP 100a method with emissions expressed as CO2-Eq. The data sets from life-cycle inventories were used from the Ecoinvent 3.1 database. Four scenarios with different levels of water loss were analyzed. Scenario S0 was represented with the real conditions of the system, whereas the others considered hypothetical indices. The percentages proposed for Scenarios S1, S2, and S3 were based on indices that indicate good loss rate in the distribution network for the Brazilian reality (25%), reduction by half of loss rates, and excellent loss rates for the water pipeline system (5%) and distribution network (10%). The analysis of the processes’ contributions showed that the electricity consumption  of the pumping systems of water mains represented the greatest environmental impact in all scenarios. The most efficient scenario would result in a 52% reduction in the emission of GHGs, demonstrating that the increase in the hydraulic efficiency of the distribution networks represents a significant opportunity to reduce the environmental impacts of the processes

Aplicação de Sistemas de Controle Fuzzy para Sistemas de Distribuição de Água

O controle de pressão se destaca como uma das principais opções técnicas para aumentar a eficiência energética e hidráulica dos sistemas de distribuição de água (SDA). Esta pesquisa objetivou o desenvolvimento de um sistema de controle inteligente, sob a ação da Lógica Fuzzy, para o controle de pressão em SDA por meio do uso simultâneo de válvulas e inversores de frequência. Para fins de comparação, foram desenvolvidos dois sistemas de controle: descentralizado (cada atuador sendo controlado individualmente) e centralizado. Os controladores foram aplicados em uma bancada experimental que simula um SDA setorizado, composto por duas zonas de pressão. A partir da análise dos resultados, constatou-se que os controladores mantiveram as pressões medidas próximas aos valores preestabelecidos como referência. O Sistema Controle Fuzzy centralizado apresentou melhores resultados que o descentralizado, pois os tempos de assentamento foram menores e a válvula manteve-se estável nos testes

Aplicação do método Promethee II para gestão de perdas reais em sistemas de abastecimento de água / Application of the Promethee II method for real loss management in water supply systems

Historicamente, os investimentos em expansão de redes de distribuição foram prioritários no setor de saneamento brasileiro, corroborando para a expansão da infraestrutura e, consequente, descaso na manutenção eficiente dos sistemas de abastecimento existentes, refletindo no alto percentual dos índices de perdas de água no Brasil. A avaliação de técnicas direcionadas para a gestão eficiente dessas perdas em sistemas de distribuição é, relativamente, novo e a definição de quais alternativas de controle devem ser priorizadas é um problema complexo. Visando propor um modelo multicritério capaz de sintetizar as várias nuances dos problemas reais envolvidos na gestão de perdas, optou-se pela utilização do Método Promethee. Nesse, é possível hierarquizar as alternativas mais recomendadas considerando um cenário de critérios relevantes. O modelo desenvolvido é capaz de estabelecer uma relação de hierarquização entre as soluções adotadas, analisando-se os critérios estabelecidos pelo agente decisor. O primeiro resultado do estudo é a estruturação do problema proposto, consistindo em avaliar quais as alternativas a serem hierarquizadas e quais os critérios e subcritérios preponderantes na análise. O método Promethee II foi capaz de estruturar satisfatoriamente o problema, elencando as possíveis soluções com base em aspectos sociais, ambientais, econômicos e técnicos. O resultado tende a ter o mesmo padrão de comportamento para as várias combinações de pesos testadas. De maneira geral, o bom desempenho da gestão da pressão nos critérios ambiental, social e econômico garante a sua preferência, indicando-a como melhor solução para o controle de perdas reais em sistemas de abastecimento de água

Avaliação e potencial de redução de perdas de água em cidades do Estado de Pernambuco com escassez hídrica e abastecimento intermitente

Several cities in the Northeast of Brazil have prolonged periods of drought and water scarcity. Thus, these cities adopt intermittent water supply as an alternative to save water during periods of drought. Despite this situation, the rate of water loss exceeds 50%. Therefore, more than half of all treated water supplied to these cities was lost. This study analyzed the water distribution system of the cities of Caruaru and Salgueiro (Pernambuco), proposing alternatives to mitigate the effects of water scarcity and intermittent supply with the reduction of water losses. The research methodology consisted of data collection, database statistics analysis, calculating of performance indicators, and results comparisons. From 2012 to 2016, water losses were 72.25 million m³ in these cities, which represents approximately 50% of the water produced by the sanitation company. The water loss index in Caruaru was over 50% for several months and, it exceeded 25% over the entire period in Salgueiro. The results have demonstrated the potential for the implementation of loss control programs; besides, intermittency supply has detrimental impacts on the physical integrity of water mains, culminating in an ineffective rationing measure.Diversas cidades no Agreste e Sertão do Estado de Pernambuco apresentam períodos prolongados de seca e escassez hídrica. Assim, essas cidades adotaram um regime de fornecimento intermitente de água, como alternativa para economizá-la durante os períodos de seca. Apesar dessa situação, o índice de perdas de água na distribuição supera os 50%, ou seja, perde-se mais da metade de toda a água tratada que é fornecida para o abastecimento destas cidades. O estudo analisou o sistema de distribuição de água das cidades de Caruaru e Salgueiro (Estado de Pernambuco), propondo alternativas para mitigar os efeitos da escassez hídrica e da intermitência do abastecimento por meio do combate às perdas de água. A metodologia consistiu no levantamento de dados, pesquisa documental, cálculo de indicadores de desempenho e análise dos resultados. No período de 2012 a 2016, o volume de água perdido totalizou 72,25 milhões de m³ nessas cidades, representando quase 50% da produção de água da concessionária. O índice de perdas, em Caruaru, foi superior a 50% durante vários meses e, em Salgueiro, superou 25% em todo o período avaliado. Os resultados demonstraram um potencial para implantação de programas de combate às perdas e que a intermitência possui um efeito prejudicial sobre a integridade física da rede, culminando em uma medida não efetiva para o racionamento

Hierarquização das Principais Alternativas de Controle de Perdas de Água em Sistemas de Distribuição de Água / Hierarchy of Main Alternatives for Water Loss Control in Water Distribution Systems

Um dos principais desafios enfrentados pelas empresas de abastecimento de água é o alto nível de perdas de água nos sistemas de distribuição. Essas perdas correspondem ao volume hídrico não faturado pela concessionária local, ou perdido por meio de vazamentos em adutoras e redes, ou extravasamento de reservatórios. O objetivo desse trabalho é o estudo da viabilidade da aplicação de alternativas na gestão das perdas de água em sistemas de abastecimento de água de municípios de médio porte de Pernambuco, visando reduzi-las, por meio da aplicação do modelo multicritério PROMETHEE. O método PROMETHEE foi aplicado para avaliar as diversas opções para o problema, por meio da reflexão da opinião de diferentes especialistas no assunto. O modelo desenvolvido estabeleceu uma relação de hierarquização entre as soluções propostas, analisando-se os critérios estabelecidos pelo agente decisor. As alternativas estabelecidas foram o controle ativo de perdas, a gestão da pressão e a gestão da infraestrutura. Com a ferramenta PROMETHEE foi possível chegar a uma solução viável para a problemática. A gestão da pressão foi a alternativa que obteve o melhor desempenho, por ter sido bem avaliado nos quatro critérios considerados. Além disso, o modelo se mostrou bastante eficiente ao unificar a opinião do grupo de especialistas

Avaliação de desempenho dos sistemas de abastecimento de água do Agreste brasileiro

De acordo com os dados do Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento (SNIS) do Brasil, do total da água produzida pelas companhias de saneamento em 2016, cerca de 38% foram perdidos na distribuição, entre perdas reais e aparentes. Além das perdas de água, perdem-se outros insumos, recursos financeiros e mão de obra que poderiam ser investidos na melhoria e na reabilitação de ativos das empresas. A presente pesquisa objetiva avaliar o abastecimento de água de municípios do Agreste brasileiro com base em indicadores do SNIS relacionados às perdas de água. A metodologia fundamentou-se em estatística descritiva, de modo que os valores dos indicadores operacionais adotados de cada munícipio foram comparados com valores de referência, a fim de analisar a eficiência dos sistemas de abastecimento de água e estabelecer um benchmarking da região. Os melhores resultados foram da Embasa (Bahia), enquanto o estado com pior desempenho foi o de Sergipe. O estudo fornece subsídios aos gestores de companhias estaduais para a priorização de investimentos em sistemas ineficientes

Environmental health indicator for the evaluation of neighborhoods in urban areas: a case study in Caruaru (PE), Brazil

The environment, over the years, has been subjected to strong negative impacts caused by economic policies that have promoted an uncontrolled growth of urbanization in the cities and abusive exploration of the natural resources. In this context, developing socio-environmental indicators to subsidize the formulation of municipal public policies which consider, specifically, the environmental (in)salubrity of each neighborhood or locality of municipalities is imperative. The present paper presents the construction and application of an environmental health indicator for residential neighborhoods in two localities of Caruaru City, Pernambuco State. The data adopted in research were obtained from databases of City Hall institutions, from interviews with the population of the localities and water quality analyses. The results indicated that the neighborhoods analyzed presented characteristics of medium health; water supply, the disposal of solid waste, and socioeconomic aspects require attention and priority of public policies. In conclusion, the proposed indicator can be an instrument to assist in urban planning and environmental management of Brazilian municipalities, because it can guide the performance of public managers and the civil society to identify priority actions for improving the infrastructure of the most unhealthy neighborhoods

Optimization of the operation of water distribution systems with emphasis on the joint optimization of pumps and reservoirs

The high costs generated by water supply systems’ pumping stations has generated great concerns regarding concessionaire companies in the sector. Improvements to increase these systems’ efficiency and consequently reduce electricity costs have been the objective of several researchers and technicians responsible for the sector. Given the many elements that compose these systems, finding the best operational rules is frequently a complex activity. In this context, the present work includes an optimization model based on genetic algorithms that combine the efficient use of reservoirs with the best operational rule for activating pumping systems. The results indicate that with better use of the water storage infrastructure, it is possible to reduce costs for the electricity of the system as a whole. HIGHLIGHTS Optimal pump scheduling in water distribution systems was studied.; The efficient use of reservoirs is considered in the optimization.; Results show the model’s good performance compared to others.