Abstract Disorderly use of water resources has led to depletion, causing environmental and social issues. A relevant aspect to be observed in water supply systems is physical losses which occur during the system’s entire operational process. Many different software packages allow simulations of pressures and flow in water networks. The most used is EPANET. The epanet2toolkit is a recently developed R package that performs the interaction between EPANET and R. Based on this tool, a set of functions is developed to study and evaluate a theoretical network. The objective is to find an ideal network configuration (design) mainly for pressure management which simultaneously reduces physical losses. Water network parameters, such as roughness, reservoir levels, and diameters are used as parameters. A Monte Carlo simulation is generated, based on random values of these network parameters. From these, an ideal pressure scenario is found, resulting in a reduction of 11.6% in the occurrence of physical losses concerning the base case.

Resumo O uso desordenado dos recursos hídricos tem levado ao esgotamento, resultando no surgimento de questões ambientais e sociais. Um aspecto relevante a ser observado nos sistemas de abastecimento de água são as perdas físicas que ocorrem durante todo o processo operacional do sistema. Muitos pacotes de software diferentes permitem simulações de pressões e fluxos em redes de água. O mais utilizado é o EPANET. O epanet2toolkit é um pacote R recentemente desenvolvido que realiza a interação entre EPANET e R. Com base nesta ferramenta, são desenvolvidos um conjunto de funções para estudar e avaliar uma rede teórica. O objetivo é encontrar uma configuração de rede ideal (projeto) principalmente para gerenciamento de pressão que reduza simultaneamente as perdas físicas. Os elementos da rede hídrica, como rugosidade, níveis dos reservatórios e diâmetros são utilizados como parâmetros. Uma simulação de Monte Carlo é gerada, com base em valores aleatórios dos parâmetros desta rede. A partir destes, é encontrado um cenário de pressão ideal, resultando em uma redução de 11,6% na ocorrência de perdas físicas em relação ao caso base.

RESUMO As perdas físicas de água em uma rede de distribuição podem ser causadas pelo excesso de pressão na rede, erroneamente associada a bom atendimento. Assim, é necessário não apenas reduzir o excesso de pressão, mas também saber onde ocorrem as perdas para providenciar soluções. O uso de ferramentas, como o Sistema de Informações Geográficas, e as simulações computacionais da rede são essenciais para a redução de perdas. Foi então realizado o estudo de uma rede real de distribuição de água em uma região montanhosa do sul de Minas Gerais, por meio do levantamento do setor a ser estudado, com o uso desse sistema de informações, e então feitas três simulações com o uso do software Epanet 2.0, sendo uma delas o cenário-base de referência para comparação com os cenários onde se realizaram melhorias. Depois, foram feitos mapas com o uso de do mesmo sistema informacional para levantamento das pressões e das mudanças realizadas na rede. Também foi feita uma projeção populacional no horizonte de 20 anos, tomando como partida o ano de 2020, para verificar se os indicadores de eficiência energética decairiam ao longo do tempo, com o aumento da população. Assim, os resultados dos três cenários (base, 32 e 35) foram 57,4, 48,2 e 46,6%, respectivamente, indicando redução de perdas conforme a redução da pressão nos cenários, e os indicadores de eficiência energética mostraram uma queda ao longo do horizonte estudado, contudo aceitáveis. Conclui-se que o uso desse sistema aplicado à rede de distribuição de água contribuiu para as análises com vistas à redução das perdas reais e de eficiência hídrica e energética em redes de distribuição de água.

ABSTRACT Excess of water head usually is misidentified as synonymous of good service, leading to water losses in the distribution network. Reducing excess of pressure and identify leaks using tools like Geographic Information Systems and computational simulations is essential to reduce water losses. The study was carried out simulating a real water distribution system in a mountainous city of south of Minas Gerais, with Geographic Information Systems survey of the region and three simulations using the Epanet software, one of which being the original scenario to compare with improved ones. Subsequently, maps using Geographic Information Systems assess pressure and modifications at the network were generated. A populational projection with a 20-year horizon, starting in 2020, was also carried out to assess whether energy efficiency indicators would decrease over time with the increase in population. The losses at base scenario and scenarios 32 and 35 was 57.4, 48.2, and 46.6%, showing a reduction in losses along pressure reduction, and energy efficiency indicators showed a decrease over the studied horizon, though still acceptable. This article concludes that the use of Geographic Information Systems applied to the water distribution network contributed to the analysis to reduce real losses and water and energy efficiency in water distribution networks.

Resumo A ineficiência dos procedimentos operacionais das companhias de saneamento ameaça o abastecimento futuro da população. Assim, o aumento da eficiência hidroenergética mostra-se essencial para atender a demanda. As técnicas de otimização são ferramentas importantes na análise de problema complexos, que é caso das redes de distribuição de água para abastecimento, destacando-se os algoritmos genéticos, consagrados pela literatura. Neste sentido propõe-se aqui um modelo de otimização de operação de rede de distribuição de água utilizando algoritmos genéticos. O diferencial da pesquisa e metodologia baseada na análise dos resultados com o uso de ferramentas de estatística e planejamento de experimentos. A técnica foi aplicada a uma rede teórica desenvolvida para o estudo. Simulações preliminares foram feitas com o uso do Epanet representando as principais causas da ineficiência hidroenergética nas companhias de saneamento brasileiras. Para a aplicação do modelo foram alterados parâmetros tais como: níveis reservatórios, diâmetro das tubulações, pressões de bombeamento e fechamento de válvulas cujos valores foram estabelecidos através de técnicas de planejamento de experimentos. Obteve-se a equação da superfície de resposta, otimizada, que resultou nos valores dos parâmetros hidráulicos estabelecidos. Então, aplicou-se os então os parâmetros obtidos no algoritmo de otimização computacional, resultando em perdas de 26,61%, melhoria de 16,19 p.p. em relação a rede sem otimização, estabelecendo uma estratégia operacional envolvendo três bombas e uma válvula redutora de pressão. Conclui-se que a associação de técnicas de otimização a planejamento de experimentos constitui uma promissora técnica para tratar da complexidade de otimização de rede de distribuição de água.

Abstract Inefficiency of sanitation companies’ operation procedures threatens the population’s future supplies. Thus, it is essential to increase water and energy efficiency in order to meet future demand. Optimization techniques are important tools for the analysis of complex problems, as in distribution networks for supply. Currently, genetic algorithms are recognized by their application in literature. In this regard, an optimization model of water distribution network is proposed, using genetic algorithms. The difference in this research is a methodology based on in-depth analysis of results, using statistics and the design of experimental tools and software. The proposed technique was applied to a theoretical network developed for the study. Preliminary simulations were accomplished using EPANET, representing the main causes of water and energy inefficiency in Brazilian sanitation companies. Some parameters were changed in applying this model, such as reservoir level, pipe diameter, pumping pressures, and valve-closing percentage. These values were established by the design of experimental techniques. As output, we obtained the equation of response surface, optimized, which resulted in values of established hydraulic parameters. From these data, the obtained parameters in computational optimization algorithms were applied, resulting in losses of 26.61%, improvement of 16.19 p.p. with regard to the network without optimization, establishing an operational strategy involving three pumps and a pressure-reducing valve. We conclude that the association of optimization and the planning of experimental techniques constitutes an encouraging method to deal with the complexity of water-distribution network optimization.

RESUMO O presente trabalho propõe avaliar a viabilidade econômica e ambiental de aproveitamento energético do biogás do aterro sanitário do município de Varginha (MG), além de analisar as emissões de gases de efeito estufa (GEE) e o uso de energia em diferentes cenários hipotéticos de gerenciamento de resíduos sólidos urbanos (RSU). Considerou-se uma projeção de geração de RSU em 20 anos de funcionamento do aterro, cuja produção de biogás foi estimada por meio do software LandGEM©. A análise de viabilidade econômica foi realizada por meio dos indicadores de valor presente líquido (VPL) e taxa interna de retorno (TIR). As emissões de GEE foram estimadas aplicando-se o modelo Waste Reduction Model (WARM©), considerando o cenário atual e três cenários alternativos de gerenciamento de RSU. Os cenários diversificaram em estratégias de reciclagem, digestão anaeróbia, incineração e disposição em aterro, com recuperação energética. Somente o aproveitamento energético com potência de 150 kW resultou em viabilidade econômica. Já os maiores benefícios ambientais foram obtidos pelo cenário 3, baseado na recuperação de materiais recicláveis, digestão anaeróbia e incineração dos RSU, reduzindo consideravelmente o volume de RSU destinados ao aterro. Dentre as práticas de gerenciamento dos cenários propostos, a reciclagem obteve os maiores ganhos energéticos e remoção de emissões de GEE.

ABSTRACT The present work proposes to evaluate the economic and environmental viability of energy recovery from biogas in the landfill of Varginha-MG, as well to analyze greenhouse gas emissions (GHG) and energy consumption in different scenarios of municipal solid waste (MSW) management. A 20-year projection of MSW generation and landfill operation were considered, whose biogas production was estimated through LandGEM software. The economic feasibility analysis was performed using the net present value (NPV), and the internal rate of return (IRR) as indicators. GHG emissions were estimated by applying the WARM model (Waste Reduction Model) considering the current MSW management scenario and three alternative ones. The scenarios diversified into recycling strategies, anaerobic digestion, landfill disposal and incineration with energy recovery. Only the energy recovery with a power of 150 kW resulted in economic viability. Moreover, the largest environmental benefits were obtained by scenario 3, based on the recovery of recyclable materials, anaerobic digestion and incineration of MSW, considerably reducing the volume of MSW landfilled. Among all management practices of the proposed scenarios, recycling resulted in greater energy gains and GHG emission removal.

Resumo A irrigação é responsável por aproximadamente 70% do consumo de água doce do mundo e é um dos principais fatores por trás da crescente escassez de água global. As técnicas e sistemas de irrigação são extremamente diferenciadas e complexas. Neste contexto, as ferramentas de dinâmica de fluidos computacional (CFD) ganham relevância, permitindo uma análise detalhada e previsão do comportamento hidráulico em diferentes situações. Com o objetivo de avaliar os detalhes do escoamento no gotejador, o presente estudo se aplica a ferramentas de CFD para um sistema de irrigação por gotejamento sob três perspectivas diferentes: (i) analisando o sistema completo composto de tubulações e gotejador; (ii) analisar apenas o gotejador isolado expandido e modelo bifásico; e (iii) com o gotejador isolado operando em regime transiente. Os resultados da modelagem e simulação mais tarde permitiu uma visão completa dos campos de velocidade e pressão e fricção perda ao longo da geometria. O processo de formação de gotas na saída do gotejador pode ser exibido com detalhes e a saída do fluxo de gotejador obtido foi próximo ao valor nominal do fabricante, no caso de análises do gotejador isolado. Embora não tenha sido possível no momento uma comparação com resultados provenientes de experimentos, com base em catálogos de fabricantes, as qualidades dos resultados foram bons e modelagem bem sucedida.

Abstract Irrigation is responsible for approximately 70% of the world’s freshwater consumption and is one of the key factors behind the growing global water scarcity. Irrigation systems and techniques are extremely differentiated and complex. In this context, tools of computational fluid dynamics (CFD) earn relevance, allowing a detailed analysis and forecast of hydraulic behavior in different situations. In order to evaluate flow details in a dripper, this study applies CFD tools to study a drip irrigation system from three different perspectives: (i) analysis of the complete system of piping and dripper; (ii) analysis of only the isolated dripper expanded and biphasic model; and (iii) analysis of the isolated dripper operating in transient regime. Modeling results allowed a full understanding about speed fields, pressure and friction loss along the geometry. The drop formation process in the dripper output could be displayed in detail, and the obtained dripper flow output was close to the nominal value of manufacturer, in the case of the isolated dripper analysis. Although a comparison with results from experiments was not possible at the time, based on manufacturers’ catalogs, results proved satisfactory, leading to successful simulations.