Academia AcquaLiveExpo Gestão Avançada de Serviços de Água – Parte I Faculdade de Ciências e …. MCC e JV Com a colaboração da Eng. Helena Lucas 0 Academia

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Gestão Avançada de Serviços de Água – Parte I

Faculdade de Ciências e ….

MCC e JV

Com a colaboração da Eng. Helena Lucas

1



Lisboa, 23 de Março 2012

Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (Maria da Conceição Cunha e João Vieira)

colaboração da empresa Águas do Algarve (Eng. Helena Lucas)



Estrutura da apresentação

• Enquadramento

• Descrição do problema

• Modelo OPTISM

• Aplicação



Enquadramento

• Planeamento de uma gestão de recursos a nível regional assente em uma utilização planeada e coordenada das diferentes origens disponíveis (e.g. superficiais e subterrâneas)

• Potenciais benefícios• Aumento de fiabilidade e diminuição de vulnerabilidade dos sistemas

• Novas possibilidades de armazenamento, distribuição e tratamento da água

• Redução de impactes provocados pela incerteza sobre a procura e entradas de água para o sistema

• Redução de externalidades causadas pela exploração do sistema

• Adiamento da construção de novas infra-estruturas



Descrição do problema

• Optimizar a operação de um sistema regional de abastecimento de água com origens próprias (superficiais e subterrâneas) + origens de emergência (furos municipais)

• Objectivos da entidade gestora:

. Redução dos custos de operação

. Satisfação da procura dos pontos de entrega

. Fornecimento de uma água com a qualidade mais adequada

. Evitar a activação de captações de emergência



• Modelo decisional

s.a:

x: variáveis de decisãorepresentam as decisões a tomar

f: função objectivorelaciona as decisões com o valor da solução obtida

g: funções restriçãorepresentam as j condições (físicas, tecnológicas,

etc)a que a tomada de decisão e a procura de soluções têm de obedecer



s.a:

Restrições físicas

Funções de custo

Funções de benefício Restrições ambientais

Restrições legais

Restrições orçamentais

Restrições tecnológicas

Funções comportamentais

Modelo OPTISM



Modelo OPTISMRebaixamentos e extracções máximosBalanços e níveis nas albufeiras

Limites à mistura de águas superficiais e subterrâneas

s.a:

Restrições físicas

Funções de custo

Restrições ambientais

Restrições legais

Restrições tecnológicas

HS

h

R

ground level

original piezometric surface

drawdown

307

288

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Outub

ro

Novem

bro

Dezem

bro

Jane

iro

Feve

reiro

Mar

çoAbr

ilMaio

Junh

oJu

lho

Agost

o

Setem

bro

mm

0

50

100

150

200

250

300

350

mm

ObservadoModelado

ObservedEstimated

Limitações decorrentes da lei

Capacidade instalada

0m 2000m 4000m 6000m

Custos de operaçãoCustos de não satisfação da procura

Custos de não cumprimento de objectivos de qualidadeCustos de captações municipais passarem a contribuir para o

abastecimento



Modelo OPTISM

• Simulação da disponibilidade de água em albufeiras

. Balanços hídricos

Armazenamento

Afluências naturais

Descargas Extracções

Perdas

Variável de decisão



Modelo OPTISM


. Calibração de modelo hidrológico para reproduzir as afluências naturais



Modelo OPTISM


. Calibração de modelo hidrológico para reproduzir as afluências naturais

Resultados da etapa de calibração do modelo hidrológico

307

288

0

10

20

30

40

50

60

70

80

mm

0

50

100

150

200

250

300

350

mm

ObservadoModelado



Modelo OPTISM

• Simulação do escoamento de água subterrânea

. Método da matriz de resposta

Nível piezométrico com bombagens

Nível piezométrico sem bombagens

Volumes de água extraída

i,n,t-j+1 – Coeficientes de influência

(dado de entrada)Variável de decisão



Modelo OPTISM

0m 5000m 10000m 15000m

Modelos de escoamento

de água subterrânea

em elementos finitos





Modelo OPTISM

Determinação dos

coeficientes de influência

0m 5000m 10000m 15000m





Modelo OPTISM



Modelo OPTISM

• Simulação da distribuição de água

. Inclui representação explícita da qualidade da água com determinação de níveis de mistura

, fluxo de água do tipo

transferida através do arco ( , ) no período

kpq tx k

p q t

Tipo de água – Superficial vs. Subterrânea



Modelo OPTISM

• Objectivos da entidade gestora representados na função objectivo do modelo – Min z

• Em situações críticas (e.g. secas) os objectivos podem não ser plenamente atingidos havendo lugar à implementação de medidas de contingência – hierarquização definida pela entidade gestora

Satisfação da procura

Controlo de qualidade da água

Não activação de captações de

emergência

Custos deoperação



Modelo OPTISM

• Função objectivo - Função de penalidade por não satisfação da procura

• Penaliza severamente os maiores défices, distribuindo o défice total em uma série défices mais pequenos

WgtDefU – Peso

D – Procura

C – Água disponibizada

D–C > 0 – Défice

Parametrização



Modelo OPTISM

Simuladores

Oferta e Procura

Funções de custos

Optimização[Min f(x)]

Operação do sistema

Afectação da água

CustosOutras restrições

HS

h

R

ground level

original piezometric surface

drawdown



Exemplo de aplicação

• Sistema multimunicipal de abastecimento de água do Algarve




• Optimização da operação do SMAA no período pré-Odelouca




• Dados de entrada. Procura global do SMAA (65 pontos de entrega) = 72,6 hm3/ano

. Níveis de mistura mais adequados > 75% de água de origem superficial

. Perímetros de rega na origens do SMAA = 67,6 hm3/ano – dado de entrada




• Dados de entrada. Procura global do SMAA (65 pontos de entrega) = 72,6 hm3/ano

. Níveis de mistura mais adequados > 75% de água de origem superficial

. Perímetros de rega na origens do SMAA = 67,6 hm3/ano – dado de entrada

. Actuação em situação de contingência (parametrização f. de penalidade):

- Satisfação da procura é objectivo prioritário

- Reforço do abastecimento com água de origem subterrânea

- Activação das captações de emergência quando não for possível assegurar o abastecimento com captações próprias




• Interface gráfica para entrada de dados – MS Excel












• Optimização do desempenho do SMAA no período pré-Odelouca em quatro cenários compostos distintos

. HID_REAL – 2003/2004 + 2004/2005 + 2005/2006

. HID_EXTR – 2003/2004 + 2004/2005 + 2004/2005

. 1A – Gestão anual

. 3A – Gestão interanual a 3 anos

Hidrologia

Gestão dosrecursos




• Esquema de resolução

Resolução de um único modelo

Res. 1

Res. 2

Res. 3Cenários

1A:Cenários 3A:

Ano 1 Ano 2 Ano 3




• Dimensões dos modelos

Modelos 1A – 10.661 variáveis 11.841 restrições

Modelos 3A – 31.827 variáveis 35.605 restrições




• HID_REAL (2003/2004 + 2004/2005 + 2005/2006)+ 1A (Gestão anual)

Valores em milhões m3

- Minimização dos custos de operação

- Volume de água subterrâneautilizada 3%




• HID_REAL (2003/2004 + 2004/2005 + 2005/2006) + 1A (Gestão anual)


- Maior recurso a origens subterrâneas: AdA -14,21 hm3

Emergência – 8,01 hm3

Volume morto





Valores Anuais

Valores Mensais






- Minimização dos custos de operação

- Controlo adequado da águafornecida aos pontos de entrega








• HID_REAL (2003/2004 + 2004/2005 + 2005/2006) – 1A vs. 3A

Gestão anual - 1A Capt. emergência: 8,01 hm3

Gestão interanual - 3A Capt. emergência: 0 hm3

1º Ano 2º Ano

3º Ano

1º Ano 2º Ano

3º Ano




• HID_EXTR (2003/2004 + 2004/2005 + 2004/2005) + 1A (Gestão anual)


35

Volume morto

Nível piezométrico mínimo




• HID_EXTR (2003/2004 + 2004/2005 + 2004/2005) + 1A (Gestão anual)

- Recurso às captações deemergência não seria suficientepara evitar grave situação de défice

- Limitação das extracções de água subterrânea dos aquíferospor restrições ambientais





• HID_EXTR (2003/2004 + 2004/2005 + 2004/2005) – 1A vs. 3A

Gestão anual - 1A Défiee acumulado: 44,09 hm3

Gestão interanual - 3A Défice acumulado: 10,49 hm3

1º Ano 2º Ano

3º Ano

1º Ano 2º Ano

3º Ano




• HID_EXTR (2003/2004 + 2004/2005 + 2004/2005)

Gestão anual - 1A Gestão interanual - 3A

Satisfação da procura dos pontos de entrega




• Modelo OPTISM – Modelo de optimização não linear

Mínimo local Mínimo global




• Modelo OPTISM – Modelo de optimização não linear

VALOR DA FUNÇÃO OBJ ECTIVO

NÚMERO DA ITERAÇÃO

TERMINAÇÃO DO MODELO (GAMS)

1 36,030,198 € 3 2

2 35,955,614 € 9 2

3 36,694,814 € 4 2

4 46,842,142 € 43 7

5 36,324,854 € 9 2

6 12,508,103,867 € 44 7

7 35,695,722 € 51 2

8 99,652,696 € 50 7

9 36,862,609 € 5 2

10 36,113,854 € 56 7

FO MÍNIMA

7 35,695,722 €

NÚ

ME

RO

DA

CO

RR

IDA

RESULTADOS DA ÚLTIMA ITERAÇÃO

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