hydraulic model based on the method of characteristics and genetic algorithms to optimize the operation of water supply networks and pumping stations

A hydraulic model was developed for simulation of water supply networks using the Method of Characteristics (MOC), introducing new features to the CALHIDREDMT model, proposed by Righetto (1994). The model uses the concept of pseudo-transient, using a fictitious value for the wave celerity. Simulations were performed in networks equipped with reservoirs, tanks, pump stations and boosters, considering both steady-state situations, as well as extended-periods (24 hours), including real cases and generic examples. The obtained results were compared to simulations performed in the model EPANET and to field experiments (pressure data measured with a manometer). Convergence issues and the performance of the solution technique were analyzed in the boundary elements for different network configurations. In addition, the hydraulic model was coupled into a Genetic Algorithms (GA) routine. The Genetic Algorithm routine presents an objective function that considers the minimization of the energetic costs associated with pump stations and it includes ways to penalize undesired issues in the operation, like high values of pressure and velocity, surplus of pump station maneuvers and violation of tank capacity limits. Analyses were performed considering variations in the taxation formulas, penalization criterions and GA parameters to evaluate the influence of these issues in the objective function and the routine processing time. The model presented a satisfactory performance and flexibility. It can be used as an analytical tool for applications involving water distribution networks in real time.Foi desenvolvido um modelo hidráulico, implementado na linguagem de programação Delphi, para simulação de redes de abastecimento de água, que utiliza o Método das Características (MOC), introduzindo novas capacidades ao modelo CALHIDREDMT de Righetto (1994). O modelo se baseia no conceito de pseudo-transiente, utilizando um valor fictício para a celeridade da onda no MOC. Foram realizadas simulações em redes equipadas com reservatórios de nível fixo e variável (tanques), estações elevatórias e boosters, considerando situações estáticas e de período estendido (24 horas), para casos reais e exemplos genéricos de redes. Os resultados do modelo desenvolvido foram comparados às simulações realizadas no modelo EPANET e com dados de pressão medidos em manômetro instalado para experimento de campo. Foram avaliados aspectos de convergência do MOC nos elementos de fronteira e o desempenho dessa técnica de solução para diferentes configurações de rede. Além disso, o modelo hidráulico foi acoplado a uma rotina de otimização baseada em Algoritmos Genéticos (AG). A rotina de otimização apresenta uma função objetivo formulada para minimização dos custos energéticos nas estações elevatórias, considerando a penalização de aspectos indesejados da operação, como pressões e velocidades elevadas, excesso de manobras nas bombas e violação de limites em tanques. Foram realizadas análises quanto às formas de tarifação e variação dos parâmetros do AG, avaliando a influência desses aspectos sobre o valor da função objetivo e o tempo de processamento. Foi possível concluir que o modelo apresenta desempenho satisfatório e bastante flexibilidade, tendo potencial para aplicações em operação de redes pressurizadas de distribuição em tempo real