Lack of water in water supply systems forces people to take risk behaviors to health, which is very common in rural water supply systems (WSS-rural). The objective of this research was to develop and apply a multi-objective optimization model for WSS-rural in the county of Cuiabá, Mato Grosso State, Brazil. The research methodology consisted of: (1) formulation of the optimization model (OM); (2) application of OM; (3) analysis of results; and (4) computer implementation of OM. To solve the problem, it was proposed and used a load loss generator part. It was found that the problem of water shortage can be solved by small operational and structural modifications. It was developed a multi-objective OM for WSS-rural based on Multi-objective Nonlinear Integer Programming technique (MONLIP) implemented in OpenOffice.org environment. The developed OM was applied to a real case with satisfactory results. | A falta de água em sistemas de abastecimento de água obriga a população a assumir comportamentos de risco à saúde, o que é muito frequente em sistemas de abastecimento de água rural (SAA-rural). O objetivo desta pesquisa foi desenvolver e aplicar um modelo de otimização multiobjetivo para SAA-rural no município de Cuiabá, Estado de Mato Grosso, Brasil. A metodologia de pesquisa constou de: (1) formulação do modelo de otimização (MO); (2) aplicação do MO; (3) análise de resultados; e (4) implementação computacional do MO. Para resolução do problema, foi proposta e utilizada uma peça geradora de perda de carga. Constatou-se que o problema de falta de água pode ser resolvido por meio de pequenas modificações operacionais e estruturais. Foi desenvolvido um MO multiobjetivo para SAA-rural, baseado na técnica de Programação Não Linear Inteira Multiobjetivo (PNLIMO) implementado em ambiente OpenOffice.org. O MO foi aplicado a um caso real, apresentando resultados satisfatórios.

O coeficiente de cultura (Kc) do melão é importante para estimar a necessidade de água e para manejar eficientemente a irrigação. Com este trabalho objetivou-se avaliar um modelo matemático para estimar o Kc do meloeiro, em função dos dias após o plantio. O modelo matemático avaliado estimou, satisfatoriamente, os valores do coeficiente de cultura, porém as épocas de maior Kc não variaram com os tratamentos, mas alteraram os valores de Kc máximo e a taxa de crescimento absoluta máxima. Verificou-se também correlação positiva entre a época de Kc máximo com os valores de Kc máximo, a época da taxa de crescimento absoluta máxima e com a taxa de crescimento absoluta máxima, como também entre os valores de Kc máximo com a época de taxa de crescimento absoluto máximo e com a taxa de crescimento máxima, assim como entre a época da taxa de crescimento máxima e a taxa de crescimento absoluta máxima.<br>The crop coefficient is necessary for estimating the water requirement in irrigation planning and management. This work aimed to evaluate a mathematical model to predict crop coefficient versus days after planting. The model provides a quite good performance in estimating the crop coefficient. The time in that maximum Kc occurred didn't vary with the treatments. However there had been alterations in values of maximum Kc and maximum absolute growth rate. Positive correlation was observed between the time for Kc maximum and Kc maximum, between time of maximum absolute growth rate and maximum absolute growth rate, as well as between Kc maximum and time of maximum absolute growth rate and maximum absolute growth rate, and between time of maximum absolute growth and maximum absolute growth rate.

A quantitative model of water movement within the immediate vicinity of an individual root is developed and results of an experiment to validate the model are presented. The model is based on the assumption that the amount of water transpired by a plant in a certain period is replaced by an equal volume entering its root system during the same time. The model is based on the Darcy-Buckingham equation to calculate the soil water matric potential at any distance from a plant root as a function of parameters related to crop, soil and atmospheric conditions. The model output is compared against measurements of soil water depletion by rice roots monitored using g-beam attenuation in a greenhouse of the Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”/Universidade de São Paulo(ESALQ/USP) in Piracicaba, State of São Paulo, Brazil, in 1993. The experimental results are in agreement with the output from the model. Model simulations show that a single plant root is able to withdraw water from more than 0.1 m away within a few days. We therefore can assume that root distribution is a less important factor for soil water extraction efficiency. | Um modelo quantitativo para a descrição do movimento de água na zona imediatamente circundante a uma raiz individual é desenvolvido, e resultados de um experimento para a validação do modelo são apresentados. O modelo baseia-se na hipótese de que a quantidade de água perdida por uma planta por transpiração, em determinado período, é reposta por um volume igual que entra no seu sistema radicular, no mesmo período. Por meio da aplicação da equação de Darcy-Buckingham, calcula-se o potencial mátrico da água no solo a qualquer distância da raiz, em função de parâmetros relacionados com a cultura, solo e condições atmosféricas. Os resultados das simulações do modelo foram comparados com medidas de esgotamento de água por raízes de arroz, registradas por meio da atenuação de radiação g, numa casa de vegetação da Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”/Universidade de São Paulo (ESALQ/USP), em Piracicaba (SP), no final de 1993. Os resultados experimentais confirmam o modelo. As simulações mostram que uma raiz individual de uma planta é capaz de retirar água do solo de uma distância de mais de 0,1 m, no intervalo de alguns dias. Esse resultado indica que a distribuição de raízes é de menor importância para a eficiência da extração de água do solo.

As the demand for essential resources like water and energy grows, the importance of their efficient management has never been greater. Traditional tools like Decision Support Systems (DSS) and hydraulic simulators such as EPANET have been employed to tackle this issue. However, these systems come with their own set of challenges, including computational complexity and calibration difficulties. To address these limitations, this study explores the potential of Machine Learning (ML) models for optimizing water distribution and solve the pump schedulling problem. Using supervised learning, these models are trained with historical data and their performance is benchmarked against EPANET. The study also incorporates energy tariffs into the models to optimize pump scheduling, thereby reducing operational costs. Initial tests indicate that the ML models excel in simpler network configurations. Future research aims to extend these models to more complex systems to assess their adaptability and efficiency across different operational conditions. | À medida que a procura por recursos essenciais como água e energia aumenta, a importância da sua gestão eficiente nunca foi tão grande. Ferramentas tradicionais como Sistemas de Apoio à Decisão (SAD) e simuladores hidráulicos como o EPANET têm sido empregues para abordar esta questão. No entanto, estes sistemas vêm com o seu próprio conjunto de desafios, incluindo complexidade computacional e dificuldades de calibração. Para abordar estas limitações, este estudo explora o potencial dos modelos de Machine Learning (ML) para otimizar a distribuição de água e resolver o problema de agendamento de bombas (Pump schedulling problem). Utilizando aprendizagem supervisionada, estes modelos são treinados com dados históricos e o seu desempenho é comparado com o do EPANET. O estudo também incorpora a tarifa de energia nos modelos para otimizar a programação das bombas, reduzindo assim os custos operacionais. Testes iniciais indicam que os modelos de ML se destacam em configurações de rede mais simples. Pesquisas futuras visam estender estes modelos a sistemas mais complexos para avaliar a sua adaptabilidade e eficiência em diferentes condições operacionais. | Mestrado em Sistemas Energéticos Sustentáveis

The crop coefficient is necessary for estimating the water requirement in irrigation planning and management. This work aimed to evaluate a mathematical model to predict crop coefficient versus days after planting. The model provides a quite good performance in estimating the crop coefficient. The time in that maximum Kc occurred didn't vary with the treatments. However there had been alterations in values of maximum Kc and maximum absolute growth rate. Positive correlation was observed between the time for Kc maximum and Kc maximum, between time of maximum absolute growth rate and maximum absolute growth rate, as well as between Kc maximum and time of maximum absolute growth rate and maximum absolute growth rate, and between time of maximum absolute growth and maximum absolute growth rate. | O coeficiente de cultura (Kc) do melão é importante para estimar a necessidade de água e para manejar eficientemente a irrigação. Com este trabalho objetivou-se avaliar um modelo matemático para estimar o Kc do meloeiro, em função dos dias após o plantio. O modelo matemático avaliado estimou, satisfatoriamente, os valores do coeficiente de cultura, porém as épocas de maior Kc não variaram com os tratamentos, mas alteraram os valores de Kc máximo e a taxa de crescimento absoluta máxima. Verificou-se também correlação positiva entre a época de Kc máximo com os valores de Kc máximo, a época da taxa de crescimento absoluta máxima e com a taxa de crescimento absoluta máxima, como também entre os valores de Kc máximo com a época de taxa de crescimento absoluto máximo e com a taxa de crescimento máxima, assim como entre a época da taxa de crescimento máxima e a taxa de crescimento absoluta máxima.

En el presente proyecto se presenta una primera aproximación en el desarrollo de una herramienta para la modelación de la calidad del agua, la cual fue necesaria para realizar la modelación de la calidad del agua de forma acoplada, considerando las relaciones no lineales, propias de los sistemas naturales complejos. La modelación acoplada involucró el planteamiento de sistemas de ecuaciones no lineales, los cuales son resueltos de forma aproximada con la implementación de dos algoritmos genéticos; uno externo usado para la calibración de los parámetros que afectan la calidad del agua en la corriente que es analizada. El otro AG que permite estimar las concentraciones de las variables de estado que dan una solución aproximada al sistema de ecuaciones. El lenguaje de programación usado en esta primera aproximación es MatLab, el cual fue seleccionado debido a su flexibilidad para el manejo de información matricial y por contar con algunas subrutinas para la optimización matemática, previamente desarrolladas por el grupo de investigación en Hidrociencias, de la Pontificia Universidad Javeriana. | In this project we present a first approach in the development of a tool for modeling water quality, which was necessary for the modeling of water quality in a coupled manner, considering the nonlinear interactions, typical of complex natural systems. The modeling approach involved coupled systems of nonlinear equations, which are solved approximately with the implementation of two genetic algorithms (GA), an external one used for the calibration of the parameters that affect water quality in the stream is analyzed. The other AG to estimate the concentrations of the state variables to give an approximate solution to the system of equations. The programming language used in this first approach is MatLab, which was selected because of its flexibility for managing information matrix and have some subroutines for mathematical optimization, previously developed by the research group in Hydroscience, the Pontifical Javeriana University. | Magíster en Hidrosistemas | Maestría

Doutoramento em Engenharia dos Biossistemas - Instituto Superior de Agronomia | Improving crop water productivity requires new approaches to economic modelling, considering alternative irrigation scheduling and irrigation systems performance. The present study aims at applying an economic modelling to water use and productivity in irrigated areas. It intends to determine the potential of irrigation systems at field scale to achieve an efficient water use, giving particular attention to maximizing the beneficial water use and the physical and economic water productivities. Thus several water-saving scenarios were developed taking into account alternative solutions to the irrigation practices adopted at the selected fields. Economic analysis and multicriteria analysis methodologies have been developed, implemented, evaluated, and incorporated in system design models (MIRRIG, PROASPER, DEPIVOT). It was possible to identify the best strategies to achieve improved water productivities using the economic modelling coupled with multicriteria analysis modules. The benefits and costs related to irrigation systems and management, through managed water demand, using deficit irrigation, and through the improvement of irrigation systems performance were also considered. The methodology developed proves to be a useful tool to support decision making at the field level, aiming at the sustainability of agricultural systems.

RESUMEN: La eutrofización de las lagunas litorales constituye uno de los problemas ambientales que ha despertado mayor interés en la comunidad científica durante los últimos años. Los modelos de eutrofización disponibles en el estado actual del conocimiento han sido desarrollados para ser aplicados a masas de agua de diferente naturaleza pero, en el caso de las lagunas litorales, éstos presentan carencias en cuanto a la simplificación de algunos procesos especialmente importantes en este tipo de medios como la limitación del silicio o del hierro al crecimiento del fitoplancton por ejemplo. En esta tesis, se ha desarrollo un nuevo modelo (EnvHydrEM) capaz de reflejar todos aquellos procesos considerados en los modelos existentes, además de una serie de reacciones propias de este tipo de medios. Dicho modelo ha sido validado en dos lagunas litorales de diferente naturaleza: La marisma de Victoria en Cantabria y la Albufera de Valencia, habiéndose mostrado su capacidad para reproducir las tendencias de la concentración de clorofila-a y otras sustancias en ambos medios acuáticos. | ABSTRACT: Eutrophication in coastal lagoons is one of the environmental problems that have attracted more interest in the scientific community in recent years. Eutrophication models that exist in the current state of the art have been developed to be applied to various types of water bodies, but in the case of coastal lagoons, they exhibit deficiencies due to the simplification of some important processes such as silica o iron limitation of phytoplankton growth. In this thesis, the development of a new model (EnvHydrEM) has been carried out. This is able to reflect all considered processes in the other existing models and also a series of reactions for this type of water bodies. To validate this model, it has been applied to two coastal lagoons of different nature: Victoria Marsh in the North of Spain and Albufera of Valencia in the Mediterranean Costs, and has shown to be able to reproduce the trends of the chlorophyll-a and other substances concentrations in both media.