Dissertações de Mestrado

O objetivo da presente pesquisa é o desenvolvimento e a aplicação de uma metodologia de avaliação da eficiência energética de instalações elevatórias (IE) em sistemas de abastecimento de água e de drenagem de águas residuais. A metodologia desenvolvida baseia-se na análise de dados disponíveis associados às características das instalações elevatórias (e.g., número de bombas, caudal/ altura de elevação nominal, potência instalada) e condições de operação (e.g., caudal, altura de elevação, consumo de energia). Para a realização do diagnóstico propõem-se três categorias de indicadores de desempenho (ID) relativos à eficiência energética, ao desempenho técnico e ao custo operacional de instalações elevatórias. São também estabelecidas diferentes medidas de melhoria (infraestrutura, operação, manutenção, outras) para melhorar a eficiência energética. A metodologia proposta desenvolve-se em cinco etapas principais: 1. Estabelecimento de indicadores de desempenho; 2. Recolha de dados e cálculo de indicadores de desempenho; 3. Diagnóstico e identificação de prioridades; 4. Estudo de medidas de melhoria; 5. Análise económica. A metodologia é aplicada às IE de três estudos de caso, pertencentes a três entidades gestoras, correspondendo a uma amostra de 221 IE, considerada representativa das IE dos sistemas portugueses de abastecimento de água e de drenagem de águas residuais. A análise permitiu a identificação de problemas específicos em cada IE e também a identificação de medidas de melhoria, referentes, nomeadamente ao funcionamento de bombas no ponto de máxima eficiência, à instalação de variadores de velocidade, à melhoria do sistema de monitorização e ao registo de dados, à reabilitação ou substituição de bombas ou seus componentes e à manutenção das bombas. Adicionalmente, é realizada uma análise detalhada das cinco IE menos eficientes de cada entidade e com maior potencial de redução do consumo de energia. Verificou-se que as instalações elevatórias de abastecimento de água têm normalmente maior potência instalada, maior consumo de energia e os dados disponibilizados são mais confiáveis e precisos. Pelo contrário as instalações elevatórias de águas residuais têm baixa potência instalada, um mais baixo consumo de energia e, em muitos casos, os dados de monitoramento não se revelam fiáveis.

A presente tese de mestrado centra-se na avaliação da eficiência hídrica e energética em aproveitamentos hidroagrícolas, sendo o principal objetivo o diagnóstico setorial e o estudo de soluções de intervenção. Para o efeito é proposta uma metodologia de análise e aplicada a dois casos de estudos, de natureza diferente, um sistema com abastecimento constituído predominante por canais e um sistema totalmente pressurizado. A metodologia de diagnóstico e estudo de soluções de melhoria é composta por quatro fases: i) Recolha e processamento de informação; ii) Realização do diagnóstico (análise global e sectorial); iii) Priorização de soluções de intervenção; iv) Recomendações finais. A realização do diagnóstico requer o cálculo dos balanços hídrico e energético. A abordagem proposta para a realização do balanço hídrico em aproveitamentos hidroagrícolas é baseada nos trabalhos desenvolvidos por Cunha et al. (2019), e propõe-se a reformulação do cálculo de algumas das suas componentes (i.e. volume de água entrado por escoamento superficial, volume mínimo de operação, evaporação, repassos, fugas e perdas aparentes). Relativamente ao balanço energético é desenvolvida uma abordagem específica para aproveitamentos hidroagrícolas, tendo por base o balanço energético aplicável a sistemas urbanos de água (Mamade et al. 2015). Os resultados demostram que sistemas com abastecimento em superfície livre, o principal problema são as descargas em canais que representam 28% do volume de água entrado no sistema, enquanto que, em sistemas com conduta em pressão, os problemas são as fugas e roturas que representam perdas de 7% do volume de água entrada. São, também, identificados os subsistemas prioritários nos dois aproveitamentos analisados e priorizadas soluções de melhoria para um deles. Soluções propostas para o subsistema prioritário poderão reduzir as perdas de água em 38% e aumentar a recuperação da energia em excesso em 25%.

Este estudo apresenta uma proposta de metodologias de clustering para reconhecimento de padrões de consumo usando um conjunto de dados de caudal coletados em redes de distribuição de água em Portugal. A maioria dos estudos existentes sobre clustering em séries temporais de caudal baseia-se em algoritmos de clustering hierárquicos ou de k-Means com medidas de distâncias inelásticas. Este estudo explora alternativas de algoritmos de clustering, medidas de distância, janelas temporais de comparação, medidas de índice interno e protótipos de clustering. O desempenho das metodologias de clustering foi avaliado em termos de medidas de índice interno e também através da caracterização dos centroides dos clusters. As metodologias com melhor desempenho foram o Algoritmo de Partição com distância DTW, protótipo PAM e janela de temporal de 15 minutos e o Algoritmo de Partição com distância GAK, protótipo PAM e janela de temporal de 15 minutos, pois permitiram a formação três clusters. O primeiro método identifica um padrão de consumo noturno, um padrão típico de fim-de-semana e um padrão típico de dia útil, enquanto o segundo método destaca-se por apresentar um padrão com pequena variabilidade entre o consumo noturno e diurno. Para melhorar a extração de conhecimento, operações adicionais de clustering foram realizadas ao conjunto de dados que pertence ao cluster com pequena variabilidade entre consumo noturno e diurno. Novos clusters foram identificados e caracterizados, mostrando que os padrões associados à irrigação são independentes do período do dia e da época do ano, o que indica um uso ineficiente da água.

A crescente instabilidade dos padrões climáticos põe em causa a disponibilidade de água potável, tornando-se cada vez mais importante a realização de uma gestão mais eficiente dos recursos hídricos actuais e futuros. Descrevemos e comparamos vários modelos para prever a procura de água, nomeadamente, consideramos os modelos auto-regressivos integrados de médias móveis sazonais (SARIMA), os modelos aditivos generalizados e redes neurais artificiais (RNA). Os modelos são avaliados com base no Erro Absoluto Médio (EAM) e no Erro Percentual Absoluto Médio (EPAM). Os resultados mostram que as RNA conseguem superar os outros métodos considerados. Demonstramos que ao lidar com dados de caudal, as RNA são capazes de ajustar bem os dados e fornecer boas previsões sem dependerem da inclusão de variáveis climatéricas no modelo. Adicionalmente, é feita uma análise exploratória de dados de facturação de água provenientes de uma região do Sul de Portugal. Esta análise tem como objectivo o melhoramento da gestão de recursos assim como o estudo do impacto do envelhecimento do parque de contadores na qualidade das leituras.

À medida que a instabilidade dos padrões climáticos põe em causa a disponibilidade de água potável, a necessidade de gestão eficiente dos recursos hídricos atuais e futuros torna-se mais importante. Infiltracão de água salgada causada pela subida do nível do mar está a provocar o encerramento de furos para consumo exterior, e este abastecimento de água colocará pressão em fornecedores locais. Este estudo analisa dados do consumo de água total de 312 clientes pertencentes a três arruamentos com diferentes proporcões de alojamento de média e alta densidade. Para cada arruamento, obtemos perfis de cliente usando técnicas de clustering. Isto permite à entidade gestora identificar clientes que são bons candidatos à instalação de contadores de água separados para consumo interior e exterior, e um grupo de clientes com indicios de presença de furo. O consumo total de um conjunto de clientes é modelado usando um modelo aditivo generalizado. Tirando partido de pesquisa realizada anteriormente sobre os hábitos de consumo de água no exterior, tentamos desagregar consumo total nas suas componentes interior e exterior. Para além disto, estudamos dados de caudal de águas residuais recolhidos numa estação elevatória. Identificamos uma relação entre o caudal e precipitação que indicia infiltracão indevida de água pluvial na rede de águas residuais.

Este estudo apresenta uma proposta de metodologias de clustering para reconhecimento de padrões de consumo usando um conjunto de dados de caudal recolhidos a partir de medidor de caudal instalados em redes de distribuição de água em Portugal. A maioria dos estudos existentes sobre clustering em séries temporais de caudal baseia-se em algoritmos de clustering hierárquicos ou de k-Means com medidas de distâncias inelásticas. Este estudo explora alternativas de algoritmos de clustering, medidas de distância, janelas temporais de comparação, medidas de índice interno e protótipos de clustering. O desempenho das metodologias de clustering foi avaliado em termos de medidas de índice interno e também através da caracterização dos centroides dos clusters. As metodologias com melhor desempenho foram o Algoritmo de Partição com distância DTW, protótipo PAM e janela de temporal de 15 minutos e o Algoritmo de Partição com distância GAK, protótipo PAM e janela de temporal de 15 minutos, pois permitiram a formação de três clusters. O primeiro método identifica um padrão de consumo noturno, um padrão típico de fim-de-semana e um padrão típico de dia útil, enquanto o segundo método destaca-se por apresentar um padrão com pequena variabilidade entre o consumo noturno e diurno. Para melhorar a extração de conhecimento, operações adicionais de clustering foram realizadas ao conjunto de dados que pertence ao cluster com pequena variabilidade entre consumo noturno e diurno. Novos clusters foram identificados e caracterizados, mostrando que os padrões associados à irrigação são independentes do período do dia e da época do ano, o que indica um uso ineficiente da água.

A presente dissertação tem como objetivo principal o desenvolvimento e a aplicação de uma proposta de metodologia para avaliação sistemática do uso da água e da energia em aproveitamentos hidroagrícolas. O trabalho apresentado vem colmatar lacunas existentes no diagnóstico de perdas de água e de ineficiências energéticas nestes sistemas. As abordagens existentes para aproveitamentos hidroagrícolas centram-se na avaliação da eficiência do uso dos recursos hídricos nas diferentes componentes do sistema, não existindo uma abordagem com visão global de sistema. A metodologia proposta para cálculo do balanço hídrico resulta da adaptação das abordagens existentes nos sistemas urbanos de abastecimento de água aos aproveitamentos hidroagrícolas. À semelhança do balanço hídrico proposto por Alegre et al. (2004), a água entrada divide-se em consumo autorizado e perdas de água. Na componente de água entrada surge a necessidade de considerar as sub-componentes relacionadas com a entrada de água por precipitação, por escoamento superficial e proveniente do armazenamento em reservatórios intermédios. Nos sistemas de transporte e distribuição com superfície livre, é contabilizada uma nova sub-componente de consumo autorizado relacionada com volumes necessários para a operação dos canais. As perdas de água incluem as perdas aparentes, as perdas por evaporação e as perdas reais entre as quais se destacam os repassos e as descargas em canais. Na aplicação da metodologia ao caso de estudo procurou-se sempre validar os resultados obtidos com a experiência dos intervenientes, tendo analisado metodologias alternativas para estimativa de algumas sub-componentes. A aplicação do balanço energético simplificado desenvolvido para os sistemas urbanos aos aproveitamentos hidroagrícolas levou à necessidade de contabilizar uma componente adicional no balanço energético original relativa à variação de volume dos reservatórios intermédios.

An increase in tourism in coastal regions and the saltwater intrusion problem in the aquifers, which will cause the closure of boreholes used to water gardens, create a pressure over the water supply of the region in study. This situation, along with climate change, makes it challenging to envisage mean and long term consumption scenarios. This study is aimed at characterizing, modeling and forecasting the garden watering demand in a coastal touristic region. This is possible due to the particular situation where the lots to study have two water meters: one to measure indoor water use and another to measure outdoor water use. We apply a clustering algorithm to group the customers by similarity of consumption pattern. For each cluster, we propose a generalized additive model. Furthermore, we test a method to disaggregate the total water use into indoor and outdoor use.

As perdas de água que ocorrem nos sistemas de abastecimento de água constituem um grave problema, em termos económico, ambiental e social, que se reflete em duas áreas distintas, que serão objeto de estudo nesta dissertação: nas incertezas no cálculo do balanço hídrico anual e em alguns picos de consumo existentes nas séries temporais de caudal, sendo outros relativos a consumos atípicos. Contudo, os dois temas permitem melhorar as ferramentas existentes para o diagnóstico de perdas de água. No primeiro caso, estas são quantificadas utilizando dados medidos ou estimados e que, por isso, possuem incertezas que se propagam com os cálculos efetuados. Deste modo, esta propagação foi estudada, considerando-se dois formatos diferentes de introdução das incertezas e três métodos de propagação das mesmas, sendo um deles uma inovação. A combinação entre bandas de incerteza e intervalos de confiança foi a que permitiu obter os melhores resultados. O segundo ponto visa contribuir para a redução da incerteza na estimativa de perdas reais – uma das componentes mais relevantes do balanço hídrico, através da deteção automatizada de eventos associados a roturas. Para tal, aplicaram-se se diversos métodos de deteção de outliers, métodos estes resultantes de inovações com base no teste do desvio studentizado extremo generalizado, no método de Tukey e no SAX. Este último revelou-se o melhor para séries com e sem sazonalidade anual, caracterizada por consumos mais elevados nos meses quentes.

Na lagoa de Óbidos, as ondas e as correntes de maré induzem rápidas alterações morfológicas levando ao fecho da sua embocadura. As dragagens são frequentes tendo o objetivo de manter a laguna aberta e proteger as construções marginais. No entanto, o efeito das dragagens no comportamento da embocadura é um tema pouco estudado, especialmente o impacto que poderá ter a adição de canais transversais aos tradicionais canais dragados. No interior desta laguna as ondas induzem alterações significativas nas condições hidrodinâmicas. Através da aplicação de um modelo acoplado constituído por um modelo hidrodinâmico e um modelo de agitação marítima concluiu-se que as elevações da superfície livre dentro da lagoa aumentaram para uma direcção média da onda perpendicular à linha de costa. Foi também investigado o impacto que a interacção completa entre ondas e correntes tem na dinâmica sedimentar da lagoa de Óbidos, concluindo-se que o transporte de sedimentos para o interior aumenta em 30% durante a enchente se esta interacção for tida em conta no modelo numérico. Os três planos de dragagens foram avaliados através da implementação de um modelo morfodinâmico. Os novos planos de dragagens aumentaram o prisma de maré e reduziram as diferenças de duração entre a vazante e a enchente devido aos canais principais norte e sul. Os canais transversais aumentaram o assoreamento no canal principal sul e promoveram a estabilidade do canal principal norte. No entanto, devido às baixas profundidades e a uma agitação marítima muito energética, as soluções de dragagens são incapazes estabilizar permanentemente a lagoa de Óbidos