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Title: Modelagem do decaimento de cloro residual livre em redes de distribuição de água de comunidades rurais por meio de redes neurais artificiais.
Other Titles: Modeling the decay of free residual chlorine in water distribution networks in rural communities using artificial neural networks.
???metadata.dc.creator???: BATISTA, Gabriele de Souza.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: RODRIGUES, Andréa Carla Lima.
???metadata.dc.contributor.advisor-co1???: ARAÚJO, Marilia Marcy Cabral de.
???metadata.dc.contributor.referee1???: ROCHA , Elis Gean.
???metadata.dc.contributor.referee2???: CUNHA , Patricia Herminio.
???metadata.dc.contributor.referee3???: SILVA , Gustavo Barbosa Lima da.
Keywords: Qualidade da água;Desinfecção com cloro;Aprendizagem de máquina;Índice de sustentabilidad;Water quality;Chlorine-disinfection;Machine learning;t-SNE;Sustainability Index
Issue Date: 23-Feb-2024
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: BATISTA, Gabriele de Souza. Modelagem do decaimento de cloro residual livre em redes de distribuição de água de comunidades rurais por meio de redes neurais artificiais. 2024. 124 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil e Ambiental) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e Ambiental, Centro de Tecnologia e Recursos Naturais, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, 2024.
???metadata.dc.description.resumo???: A desinfecção com cloro visa garantir a integridade sanitária da água e a prevenção de doenças de veiculação hídrica. No entanto, manter as concentrações de cloro residual livre (CRL) é desafiador na gestão de sistemas de abastecimento de água, pois sua concentração pode decair ao longo da rede de distribuição, prejudicando a qualidade da água e a saúde da população. Para compreender o comportamento do CRL ao longo das redes de distribuição, assegurando um desempenho satisfatório da desinfecção, faz-se necessário modelar o seu decaimento. Utilizando os dados de qualidade da água do Sistema de Informação de Vigilância da Qualidade da Água para Consumo Humano (Sisagua) e o método de seleção de variáveis t-Distributed Stochastic Neighbor Embedding (t-SNE), desenvolveu-se uma rede neural artificial (RNA), para avaliação do decaimento do CRL em redes de distribuição de água de comunidades rurais brasileiras. O modelo desenvolvido foi validado com os dados provenientes de amostras de nove Sistemas Simplificados de Abastecimento de Água (SSAA) de comunidades rurais do estado do Ceará. As redes de distribuição dessas localidades foram avaliadas quanto ao atendimento do CRL à Portaria GM/MS nº 888/2021, a partir de indicadores de desempenho e do Índice de Sustentabilidade (IS). Os resultados obtidos evidenciam a relevância dos parâmetros CRL no reservatório, turbidez, pH, comprimento da tubulação e temperatura do dia na previsão do cloro no sistema de distribuição. A RNA desenvolvida a partir dessas variáveis de entrada apresentou elevadas taxas de acerto variando de 85,45% a 99,84%, para os limiares de precisão do método colorimétrico, comumente utilizado em sistemas de abastecimento rurais. Em comparação aos métodos numéricos e computacionais, o modelo pode ser aplicado a qualquer sistema de abastecimento rural, sem a necessidade de determinação da ordem cinética da reação ou estimativa do coeficiente de decaimento de CRL. A aplicação do RNA nos SSAA das comunidades rurais indicou que a robustez do modelo é reduzida para sistemas com captação em manancial superficial, existência de etapa de filtração e reforços de cloro, enquanto obtém resultados satisfatórios para os SSAA com captação por poços, chegando a 100,00% de precisão para o limiar de 0,5 mg/L de CRL. A análise do desempenho das redes de distribuição de água revelou a predominância de uma performance inadequada quanto a concentração do CRL (55,56% dos sistemas), indicando a necessidade de aprimoramento das estratégias de gestão do serviço. De maneira geral, a abordagem desenvolvida oferece uma previsão antecipada de inconformidades relacionadas ao cloro residual livre, além de auxiliar nos ajustes na dosagem do cloro.
Abstract: Disinfecting water with chlorine aims to guarantee the sanitary integrity of the water and the prevention of waterborne diseases. However, maintaining free residual chlorine (FRC) concentrations is challenging in the management of water supply systems, as its concentration can decline throughout the distribution network, harming water quality and the health of the population. To understand the behavior of FRC throughout distribution networks, ensuring satisfactory disinfection performance, it is necessary to model its decay. Using water quality data from the Sistema de Informação de Vigilância da Qualidade da Água para Consumo Humano (Sisagua) and the t-Distributed Stochastic Neighbor Embedding (t-SNE) variable selection method, an artificial neural network (ANN) was developed, to evaluate the decay of FRC in water distribution networks in Brazilian rural communities. The developed model was validated with data from samples from nine Simplified Water Supply Systems (SWSS) from rural communities in the state of Ceará. The distribution networks of these locations were evaluated regarding FRC compliance with Ordinance No. 888/2021, based on performance indicators and the Sustainability Index (SI). The results obtained highlight the relevance of the FRC parameters in the reservoir, turbidity, pH, pipe length and daytime temperature in predicting chlorine in the distribution system. The ANN developed from these input variables showed high accuracy rates ranging from 85.45% to 99.84%, for the accuracy thresholds of the colorimetric method, commonly used in rural supply systems. Compared to numerical and computational methods, the model can be applied to any rural supply system, without the need to determine the kinetic order of the reaction or estimate the FRC decay coefficient. The application of ANN in the SWSS of rural communities indicated that the robustness of the model is reduced for systems with capture from surface water sources, the existence of a filtration stage and chlorine reinforcements, while obtaining satisfactory results for the SWSS with capture from wells, reaching 100 .00% accuracy for the 0.5 mg/L FRC threshold. Analysis of the performance of water distribution networks revealed the predominance of inadequate performance in terms of FRC concentration (55.56% of systems), indicating the need to improve service management strategies. In general, the approach developed offers an early prediction of nonconformities related to free residual chlorine, in addition to assisting in adjustments in chlorine dosage.
Keywords: Qualidade da água
Desinfecção com cloro
Aprendizagem de máquina
Índice de sustentabilidad
Water quality
Chlorine-disinfection
Machine learning
t-SNE
Sustainability Index
???metadata.dc.subject.cnpq???: Engenharia Civil.
Engenharia Ambiental.
URI: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/36977
Appears in Collections:Mestrado em Engenharia Civil e Ambiental.

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