Estratégias para expansão de redes de distribuição de água sob a óptica da teoria de redes complexas

Considering the lack of basic drinking water supply services for millions of people in Brazil and worldwide, and in view of the increased demand for drinking water consumption characterized by the global population growth, it is understood that, currently, it is necessary to increase the supply capacity of Water Distribution Networks (WDN), especially in poorer and emerging countries. However, these expansions of Water Supply Systems (WSS) can often, due to the higher demand on the network, generate low system pressures, making it difficult to supply water in adequate quantity and quality. Therefore, aiming to analyze the hydraulic performance and characteristics concerning the connectivity of expansion scenarios of a WDN, in this research, the WSS was modeled as a Complex Network (CN). In order to propose strategies for expanding the capacity of an A, the C-Town network was used as a case study, and several expansion scenarios were implemented based on percentage increases in demand in peripheral nodes of the network. To obtain information about the hydraulic performance of the system the following criteria were considered: pressure uniformity, weighted average age of water above a set limit and hydraulic resilience. The graphs corresponding to the demand increase scenarios were weighted by flow rate and water travel time, in order to obtain, from the application of CN metrics, indicators of the robustness of the WDN. The abstraction of the computational model as CN and the hydraulic analyses of the WDN were done in Python programming language and through, respectively, the packages NetworkX 2.5 and WNTR 0.3.0. In addition, in order to rehabilitate pressures and further improve the hydraulic performance of the system, engineering measures were implemented and budgeted for all expansion scenarios. Finally, in order to obtain optimal scenarios, all scenarios were ranked using the TOPSIS multi-criteria analysis method. As results, it was obtained that, in general, the expansion scenarios that generated the lowest risks of failure and damage to the water distribution network, considering also the metrics of complex networks, are located in Sector 1 and the scenarios that improved the most with the application of engineering measures were the scenarios in Sector 3.

Considerando-se a falta de serviços básicos de abastecimento de água potável a milhões de pessoas no Brasil e no mundo, e tendo em vista o aumento da demanda de consumo de água potável caracterizado pelo crescimento da população global, entende-se que, atualmente, se faz necessário aumentar a capacidade de abastecimento das Redes de Distribuição de Água (RDA), principalmente, em países mais pobres e emergentes. No entanto, estas expansões de Sistemas de Abastecimento de Água (SAA) podem, muitas vezes, devido à maior demanda da rede, gerar baixas pressões no sistema, dificultando o abastecimento de água em quantidade e qualidade adequadas. Então, visando analisar o desempenho hidráulico e características referentes à conectividade de cenários de expansão de uma RDA, nesta pesquisa, o SAA foi modelado como uma Rede Complexa (RC). A fim de propor estratégias para expansão da capacidade de uma RDA, utilizou-se a rede C-Town como estudo de caso e foram implementados diversos cenários de expansão com base em aumentos percentuais de demanda em nós periféricos da rede. Para se obter informações sobre o desempenho hidráulico do sistema foram considerados os critérios: uniformidade de pressão, idade média ponderada da água acima de limite estabelecido e resiliência hidráulica. Os grafos correspondentes aos cenários de aumentos de demanda foram ponderados por vazão e tempo de viagem da água, com intuito de se obter, a partir da aplicação de métricas de RC, indicadores de robustez da RDA. A abstração do modelo computacional como RC e as análises hidráulicas da RDA foram feitas em linguagem de programação Python e por meio, respectivamente, dos pacotes NetworkX 2.5 e WNTR 0.3.0. Além disso, com o objetivo de reabilitar as pressões e melhorar, ainda mais, o desempenho hidráulico do sistema, medidas de engenharia foram implementadas e orçamentadas para todos os cenários de expansão. Por fim, com intuito de se obter cenários ótimos, a partir do método de análise multicritério TOPSIS, todos os cenários foram ranqueados. Como resultado, obteve-se que, em geral, os cenários de expansão que geraram menores riscos de falhas e danos à rede de distribuição de água, considerando-se também as métricas de redes complexas, se localizam no Setor 1 e os cenários que mais melhoraram com aplicação das medidas de engenharia foram os cenários do Setor 3.

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