aula 10 rede fluxo acquanet 2013

5/28/2018 Aula 10 Rede Fluxo Acquanet 2013

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Universidade de So Paulo

Escola Politcnica da


Modelos de Rede de Fluxo

PHA

2343Anlise de Sistemas Ambientais

Mario Thadeu Leme de Barros

Renato Carlos Zambon

Joaquin Bonnecarrre

SSDAcquaNet

O problema da alocao de gua

Incertezas de diversas naturezas Interaes complexas no ciclo hidrolgico e no sistema

construdo pelo Homem Conflitos entre usos, usurios, setores de atividades,

etc. Investimentos de grande porte Necessidade de planejamento a longo prazo Sistemas de Recursos Hdricos so dinmicos Impactos ambientais, sociais e econmicos Participao de grupos heterogneos no processo

decisrio

Complexidade!!!


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Podemos utilizar modelos de simulao e deotimizao para auxiliar as decises deplanejamento, projeto e operao destessistemas;

Vamos tratar na aula de hoje de modelos deRede de Fluxo (Network Flow, tambm

chamados e melhor traduzidos comomodelos de Fluxo em Rede)

AcquaNet


possvel atender a todas as demandas?Que demandas so atendidas prioritariamente?

Demanda

irrigao = 8 m

3

/s

Demanda industrial = 5 m3/s

Demanda abastec.

pblico = 12 m3/s

Demanda de conservao = 5 m3/s

Reservatrio

QREG


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O AcquaNet: aspectos bsicos

Modelo para alocao de gua

Formulado como uma rede de fluxo Ns e elos para representar uma grande diversidade de elementos de

um sistema Recursos Hdricos

Modelo de simulao Generalidade, flexibilidade, facilidade de compreenso

Processo de tentativa e erro; no se garante o timo global

Acoplado a um algoritmo de otimizao Minimiza o processo de tentativa e erro

A eficincia do algoritmo > sistemas grandes e complexos Limitaes do algoritmo

Desenvolvido com caractersticas de Sistemas deSuporte a Decises

Conceitos Gerais

Estrutura Tpica de um SSDTomador de

deciso

Interface

Base dedados

Modelos

matemticos

Resultados

Implementao

Satisfatrios


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Conceitos Gerais

Sistema de Suporte a Deciso (SSD):

integra tecnologias computacionais com ferramentas de

anlise e modelagem, num ambiente amigvel;

os SSDs tm conquistado importantes espaos na anlise desistemas de recursos hdricos: (1) tratamento dos dadosrepresentativos do sistema, (2) os modelos que transformam

esses dados em informaes e conhecimentos, (3) base paraa tomada de decises de boa qualidade.

Caractersticas do SSD AcquaNet

Desenvolvido originalmente para alocar quantitativamente os recursoshdricos de um sistema (Labadie e Shafer, 1979): o modelo MODSIM

Desenvolvimentos posteriores Na CSU (ModSim) No LabSid (AcquaNet): interfaces e estrutura modular que incorpora

outros modelos para analisar diferentes problemas de aproveitamentode recursos hdricos (qualidade da gua, irrigao, energia e outros).

A alocao a funo mais importante Ferramenta SIG

permite ao usurio importar layers e utiliz-los tanto para obterinformaes dos prprios layers como para servirem de base para otraado da topologia;

possibilita a utilizao de diversas ferramentas disponveis no SIG(como zoom, pan, etc.).


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Modelos que Integram o SSD AcquaNet

Algoritmos de Otimizao

Original Out-of-Kilter (algoritmo especialista em redes de fluxo), que

efetua a otimizao para cada intervalo de clculo, de formaseqencial (intervalos mensais);

No LabSid Algoritmo PL (PCx), que efetua a otimizao de forma dinmica,

ou seja, garante a resposta tima para um perodo de nintervalos de tempo frente;

Intervalos: mensal, dirio e horrio e permite amortecer asondas de cheias nos canais da rede.


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Mdulo Alocao

O problema de alocao de gua

Caracterizado por:

Incertezas de diversas naturezas

Interaes complexas no ciclo hidrolgico e no sistema construdopelo Homem

Conflitos entre usos, usurios, setores de atividades, etc

Investimentos de grande porte

Necessidade de planejamento a longo prazo

Sistemas de RHs dinmicos

Impactos ambientais, sociais e econmicos

Participao de grupos heterogneos no processo decisrio


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Arcabouo Conceitual

Direitos de uso (prioridades)

Agncias

Capacitao

Processos decisrios

Sistema de financiamento

Participao pblica

Base legal

Sistemas de informao

Sistemas de suporte adecises

Treinamento

Pesquisas

Estudos tcnicos

Redes de monitoramento


Representa o sistema como uma sucesso de ns eelos Elos:trechos de rios, canais, dutos, etc Ns:reservatrios, demandas, confluncias, etc

Sistemas grandes (milhares de ns e elos) Apropriados a sistemas complexos

Distribui e armazena a gua de acordo com prioridades(preferncias) estabelecidas pelo usurio

Utiliza algoritmos matemtcos extremamente eficientes paramaximizar as preferncias dos usurios

Facilita a utilizao de interfaces grficas poderosas eamigveis

Facilita a integrao com outras ferramentas, tais como SSD,GIS, Bancos de dados, etc


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Acquanet

Resultados

Distribuio

da

gua

por

toda

a

rede

Nveis

dos

reservatrios

Dficits

Confiabilidade

do

suprimento

de

gua

Anlise

de

riscos

Subsdios

para

o

estabelecime

nto

de

polticas

de

operao


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Redes de fluxo: ns, elos, custos, capacidades

Redes de fluxo: ns, elos, custos, capacidades


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O problema de otimizao resolvido pelo Out-of-Kilter:

N

i

N

j

ijijqc

1 1

min

0 jj Ok

ik

Ii

ij qq

N1,...,ji,todopara

,

ijijij uql

onde:ci,j: custo de transitar a vazo qi,jpelo elo queliga o n i ao n j

li,je ui,j: capacidades inferior e superior do elo

, sujeitoa:

Acquanet

Funo objetivo, onde q a varivelde deciso e c o custo associado a ela

A rede capacitada, ou seja, os elosobrigatoriamente devem ter uma capacidadeinferior e outra superior(pode ser I= 0 e S= 9999999)

A rede conservativa, ou seja, tudo que

chega ao njdeve sair dele

jNs deorigem i

Ns dedestino k

N

i

N

j

ijijqc

1 1

min

N1,...,ji,

todopara,

ijijij uql

0 jj Ok

ik

Ii

ij qq

Acquanet


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11

Exemplo

10 m3/s

Limites e Custo no arco: [ Iij, Sij, Cij]

[0, 100, 0][0, 100, 0]

[0, 100, 0][0, 100, 0]

D=10 m3/s

?

??

?

Exemplo


10

[0, 100, 0]

[0, 100, 0][0, 100, 0]

[0, 100, 10]

D = 1010 10


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12

Exemplo


10

[0, 100, 0]

[0, 3, 0][0, 100, 0]

[0, 100, 10]

D = 103

3

7 7

C= 10P1000: P= (C + 1000)/10 Custos e Prioridades (so uma coisa s) Escala de 1 a 99

Maior prioridade = 1 - Menor prioridade= 99 para P=1: C= -990 para P=99: C= -10 O modelo atende as demandas na ordem das

prioridades Conceito de volume meta Custo no elo

Custos e Prioridades


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13

Capacidade

D=50P= 50

D= 10P= 2

D= 40P=13

10

40

40

Vinicial= 90

Atendimento a Prioridades

Capacidade

D=50P= 50

D= 10P= 2

D= 40P=13

10

30

0

Vinicial= 40



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14

Capacidade

D=50P= 50

D= 10P= 2

D= 40P=13

10

40

50

necessrio estabeleceruma escala de prioridadespara os reservatrios

Vinicial= 120


Vinicial= 120

Capacidade

D=50

P= 50

D= 10P= 2

D= 40P=13

10

40

50

Vmeta= 150

P= 99Neste exemplo oexcesso de 20 ficararmazenado

Volume Meta


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Vinicial= 120

Capacidade

D=50P= 50

D= 10P= 2

D= 40P=13

10

40

0

Vmeta= 150

P= 40O reservatrioarmazenar 70

Volume Meta


Escola Politcnica daUniversidade de So Paulo

Exerccio de aula

Anlise de um problema de alocaode gua com o AcquaNet

PHD2538Gerenciamento de RecursosHdricos

Mario Thadeu Leme de Barros

Renato Carlos Zambon

Joaquin Bonnecarrre


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ProblemaPrimeira parte

A companhia de abastecimento de gua de umacidade est considerando a construo de Res1 para abastecer sua futura demanda de 1 m3/scom garantia prxima de 100%

Foi verificado que a maior capacidade possvel parao volume do reservatrio Res1 60 hm3

O distrito de irrigao existente na regio desejaaumentar a confiabilidade do seu suprimento atual

Um importante grupo industrial pretende construiruma planta na bacia e existe grande interesse naregio de que isto efetivamente acontea

Sugestes:1) Construa a rede de fluxo em sua configurao final conforme esquema acima.2) Para analisar a situao atual faa a capacidade de Res 1 = 03) Vazes de retorno, perdas por infiltrao e evaporao podem ser consideradas

insignificantes.4) Os dados das sries histricas foram disponibilizadas no site (Vazoes Afluentes.xlsx)

A B CConservao

Res 1

Irrigao

Cidade Indstria

Demanda Vazo (m3/s) Prioridade

Conservao 1,0 Primeira

Cidade 1,0 Segunda

Irrigao 2,0 Terceira

Indstria 1,5 Quarta


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Sua rede INICIALdeve ser semelhante

a esta

importante adicionaruma demanda fictcia no

fim da rede. Vamoschama-la de Dreno

Dreno no fim da

rede (Dica noltimo slide)

Dreno

Tipo

Nome

Demanda

(m3/s)

Reservatrio Res1 -

Demanda Irrigao 2,0

Demanda Cidade 1,0

Demanda Indstria 1,5

Demanda Ambiental 1,0

Demanda Dreno 999

Passagem A, B, C -

Prioridade

90

20

10

30

1

99

-

Solucione novamente

o problemacom uma

volume de 60 Hm

para o Res_1

Analise os resultados do Excel


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ProblemaSegunda parte

Na primeira parte deste problema constatou-se que possvel abastecer a cidade com 100% de garantia coma construo do Res_1. Mas a irrigao e a indstriaapresentam garantias bem menores

Para melhorar esta situao pode-se bombear gua deuma bacia vizinha onde poder tambm ser construdoum reservatrio Res_2 cujo volume 30 hm3. O rgoambiental local limitou a capacidade de bombeamento a

1 m3

/s. Nova configurao daRede de Fluxo

ProblemaSegunda parte

Analise (estatstica Excel) as melhorias devidas a estebombeamento e estime a capacidade do reservatrio

Analise as melhorias devidas a este bombeamento dessatransposio no atendimento das demandas, realize umaestatstica(Excel)mostrando os ganhos ao atendimento dasdemandas com o novo reservatrio


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ProblemaTerceira parte

Uma cidade vizinha imaginou que depois desta importaopoderia haver sobras de gua que poderiam reforar seuabastecimento.

Analise esta situao. O Res 3 que abastece a cidade tem umvolume til de XX (XX = sua idade) Hm3.

Demanda Vazo Cidade 2

(m3/s)

Prioridade

Grupo 1 1,5 Segunda

Grupo 2 3,0 Segunda

Grupo 3 2,5 Terceira

Grupo 4 2,5 Quarta

Grupo 5 2,5 Quinta

Reforo Cidade 2

Irrigao Cidade Industria

A B C

Conservao

Res 1

Qmax= 1 m3/sRes 2

Res 3

Demanda Vazo (m3/s) Prioridade

Conservao 1,0 Primeira

Cidade 1,0 Segunda

Irrigao 2,0 Terceira

Indstria 1,5 Quarta

Cidade 2 Grupo Grupo

Anlise de um problema de alocao de gua


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A rede FINAL deve sersemelhante a esta

Rede final para simulao


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ModDica 1: Dreno

Dependendo das prioridades de um sistema especfico, o excesso de guapode fluirpor elos que no pertencem ao caminho natural da gua na bacia.

Para evitar este fato recomenda-se colocar uma Demanda Art i f ic ialno fimda rede, para receber todo o excesso de gua. Este tipo de n chamadode Dreno.Deve ter uma demanda muito grande para poder receber todo oexcesso e uma prioridade muito pequena (tipicamente P= 99), para nocompetir com as demandas reais do sistema.

Se a prioridade do Drenofor 99 (ou seja, custo C= -10) deve-se colocar um

custo C= +11 em todos os links que chegam ao Dreno. Desta forma aunidade de vazo entregue ao Drenopaga um custo C= +1, que o minimocusto possvel no Modsim.

Assim, todo o excesso de gua ser armazenado nos reservatrios ou entose encaminhar para o fim da rede Volta

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