Academia AcquaLiveExpo Gestão Avançada de Serviços de Água – Parte I Faculdade de Ciências e …. MCC e JV Com a colaboração da Eng. Helena Lucas 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) Lisboa, 23 de Março 2012

Estrutura da apresentação Enquadramento Descrição do problema Modelo OPTISM Aplicação

Potenciais benefícios 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 1 – por termos simplesmente um maior número de origens de água disponíveis. Os aquíferos são albufeiras naturais. A capacidade de armazenamento destas reservas de água natural podem ser significativamente superior às reservas disponíveis nas albufeiras dependentes de barragens construídas. 2 – É possível obter uma melhoria da qualidade das águas por mistura de águas superficiais e águas subterrâneas de qualidade distinta. 3 – As flutuações de caudais são geralmente maiores nas águas superficiais que nas águas subterrâneas. O comportamento das águas subterrâneas é menos errático que o das águas superficiais, apesar de os caudais nos rios terem uma resposta mais rápida ao comportamento estocástico dos fenómenos climáticos. E é daqui que pode surgir uma complementaridade interessante entre estes dois tipos de origem e que pode ser extremamente útil para fazer face a períodos de seca. 4 – Um uso conjunto concebido de forma dinâmica e com um adequado nível de controlo permite reduzir externalidades provocadas pela exploração do sistema, sejam essas externalidades impactes negativos em ecossistemas aquáticos, externalidades tecnológicas e económicas sobre terceiros, como consequência de uma exploração independente dos recursos disponíveis. 5 – O uso conjunto tem ainda como potencial benefício uma maior adaptabilidade face a um crescimento progressivo da procura, permitindo por exemplo contribuir para o adiamento da construção de novas infra-estruturas.

Objectivos da entidade gestora: . Redução dos custos de operação 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 x: variáveis de decisão f: função objectivo representam as decisões a tomar f: função objectivo relaciona as decisões com o valor da solução obtida g: funções restrição representam as j condições (físicas, tecnológicas, etc) a que a tomada de decisão e a procura de soluções têm de obedecer s.a:

Modelo OPTISM s.a: Restrições físicas Funções de custo Funções de benefício Restrições ambientais Restrições legais Restrições orçamentais Restrições tecnológicas Funções comportamentais

Modelo OPTISM s.a: Custos de operação Custos de não satisfação da procura Custos de não cumprimento de objectivos de qualidade Custos de captações municipais passarem a contribuir para o abastecimento Modelo OPTISM Rebaixamentos e extracções máximos Balanços 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 Observed Estimated Limitações decorrentes da lei Capacidade instalada

Simulação da disponibilidade de água em albufeiras . Balanços hídricos Modelo OPTISM Simulação da disponibilidade de água em albufeiras . Balanços hídricos Variável de decisão Afluências naturais Perdas Armazenamento Descargas Extracções

Modelo OPTISM Simulação da disponibilidade de água em albufeiras . Calibração de modelo hidrológico para reproduzir as afluências naturais

calibração do modelo hidrológico Modelo OPTISM Simulação da disponibilidade de água em albufeiras . Calibração de modelo hidrológico para reproduzir as afluências naturais Resultados da etapa de calibração do modelo hidrológico

i,n,t-j+1 – Coeficientes de influência Modelo OPTISM Simulação do escoamento de água subterrânea . Método da matriz de resposta Nível piezométrico com bombagens Volumes de água extraída Variável de decisão Nível piezométrico sem bombagens i,n,t-j+1 – Coeficientes de influência (dado de entrada)

Simulação do escoamento de água subterrânea Modelo OPTISM Simulação do escoamento de água subterrânea . Método da matriz de resposta Modelos de escoamento de água subterrânea em elementos finitos

Simulação do escoamento de água subterrânea Modelo OPTISM Simulação do escoamento de água subterrânea . Método da matriz de resposta Determinação dos coeficientes de influência

Modelo OPTISM

Simulação da distribuição de água Modelo OPTISM Simulação da distribuição de água . Inclui representação explícita da qualidade da água com determinação de níveis de mistura Tipo de água – Superficial vs. Subterrânea

captações de emergência 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 Não activação de captações de emergência Custos de operação Controlo de qualidade da água

Função objectivo - Função de penalidade por não satisfação da procura 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 Parametrização WgtDefU – Peso D – Procura C – Água disponibizada D–C > 0 – Défice

Modelo OPTISM Operação do sistema Simuladores Oferta e Procura Afectação da água Custos Simuladores Oferta e Procura Optimização [Min f(x)] Funções de custos Outras restrições

Exemplo de aplicação Sistema multimunicipal de abastecimento de água do Algarve

Exemplo de aplicação Optimização da operação do SMAA no período pré-Odelouca

Exemplo de aplicação 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

Exemplo de aplicação 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

Exemplo de aplicação Interface gráfica para entrada de dados – MS Excel

Exemplo de aplicação Interface gráfica para entrada de dados – MS Excel

Exemplo de aplicação Interface gráfica para entrada de dados – MS Excel

Exemplo de aplicação 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 dos recursos

Resolução de um único modelo Exemplo de aplicação Esquema de resolução Resolução de um único modelo Res. 1 Res. 2 Res. 3 Cenários 1A: Cenários 3A: Ano 1 Ano 2 Ano 3

Exemplo de aplicação Dimensões dos modelos Modelos 1A – 10.661 variáveis 11.841 restrições Modelos 3A – 31.827 variáveis 35.605 restrições

Exemplo de aplicação HID_REAL (2003/2004 + 2004/2005 + 2005/2006)+ 1A (Gestão anual) Minimização dos custos de operação Volume de água subterrânea utilizada  3% Valores em milhões m3

Exemplo de aplicação 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 em milhões m3

Exemplo de aplicação Valores Anuais Valores Mensais HID_REAL (2003/2004 + 2004/2005 + 2005/2006) + 1A (Gestão anual) Valores Anuais Valores Mensais

Exemplo de aplicação HID_REAL (2003/2004 + 2004/2005 + 2005/2006) + 1A (Gestão anual) Minimização dos custos de operação Controlo adequado da água fornecida aos pontos de entrega Valores em milhões m3

Exemplo de aplicação HID_REAL (2003/2004 + 2004/2005 + 2005/2006) + 1A (Gestão anual)

Exemplo de aplicação Gestão anual - 1A 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 1º Ano 2º Ano 3º Ano 3º Ano

Exemplo de aplicação HID_EXTR (2003/2004 + 2004/2005 + 2004/2005) + 1A (Gestão anual) Nível piezométrico mínimo Valores em milhões m3 Volume morto 34

Exemplo de aplicação HID_EXTR (2003/2004 + 2004/2005 + 2004/2005) + 1A (Gestão anual) Recurso às captações de emergência não seria suficiente para evitar grave situação de défice Limitação das extracções de água subterrânea dos aquíferos por restrições ambientais Valores em milhões m3

Exemplo de aplicação 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 1º Ano 2º Ano 3º Ano 3º Ano

Satisfação da procura dos pontos de entrega Exemplo de aplicação HID_EXTR (2003/2004 + 2004/2005 + 2004/2005) Satisfação da procura dos pontos de entrega Gestão anual - 1A Gestão interanual - 3A

Exemplo de aplicação Modelo OPTISM – Modelo de optimização não linear Mínimo local Mínimo global

Exemplo de aplicação Modelo OPTISM – Modelo de optimização não linear