Controle de perdas em sistemas de distribuição de água : a perspectiva da complexidade

Abstract

Sistemas de Distribuição de Água (SDAs) são normalmente modelados apenas como sistemas técnicos. Contudo, tais sistemas também interagem com diversos sub-sistemas sociais (por exemplo, usuários e operadores dos SDAs) e organizacionais (por exemplo, sistemas gerenciais das empresas que operam os SDAs), sujeitos a influência do ambiente externo (por exemplo, político, econômico, regulatório). Além disso, os sub-sistemas citados interagem dinamicamente entre si, estando expostos à incerteza e variabilidade não antecipada. Dessa forma, esta tese aborda os SDAs como Sistemas Sócio-Técnicos complexos (SSTC), uma perspectiva nova na literatura sobre SDAs . Em particular, este estudo tem como principal objetivo identificar como a teoria da complexidade pode contribuir para a compreensão e controle de perdas em SDAs, as quais são um problema de grande relevância prática e persistente em diversos países. Os objetivos específicos são: a) identificar o estado da arte referente aos fatores que influenciam a complexidade de SDAs e impactam nas perdas de água; b) analisar, segundo a perspectiva de SSTCs , as relações entre os fatores contribuintes para as perdas em SDAs; c) investigar a relação entre o tamanho da população em sistemas urbanos, tamanho de SDAs e quantidade de perdas nesses sistemas, verificando se essa relação obedece a funções de escala não-lineares. A abordagem norteadora da tese é mista, incluindo pesquisa bibliográfica, estudo de caso e análise de banco de dados quantitativos. Para tanto, foram realizados três artigos. O primeiro foi realizado para atingir o objetivo específico a) através de uma revisão sistemática da literatura, a qual identificou 21 fatores inter-relacionados que influenciam a complexidade dos SDAs e as suas perdas. Esses fatores são responsáveis pela natureza sócio-técnica complexa desses sistemas, que geralmente não é enfatizada pelos métodos de controle de perdas. Seus resultados também indicaram que nenhum dos métodos para controle de perdas abrange todos os atributos de complexidade considerados na tese. Por exemplo, o atributo de complexidade interações não lineares, foi considerado por 45,2% dos métodos. O segundo artigo foi realizado para atingir o objetivo específico b). Para tanto, um estudo de caso foi conduzido em um SDA de uma grande cidade brasileira no qual foi desenvolvida e testada uma framework composta por cinco etapas para a análise de perdas, quais sejam: (i) definição dos limites e caracterização do sistema; (ii) quantificação de perdas, identificação e classificação de fatores contribuintes; (iii) modelagem das relações de causa-efeito entre os fatores; (iv) identificação de contramedidas para controlar as perdas; e (v) comparação dos atrasos esperados das contramedidas. A aplicação desta framework visou complementar os métodos existentes de controle de perdas na empresa, contribuindo para a avaliação dos impactos sistêmicos das ações propostas pelos mesmos. Ela permitiu a obtenção de um diagrama de causa e efeito para perdas de água, que apresentou os relacionamentos entre 17 fatores que geram as perdas de água, para o SDA estudado. Por fim, foi realizado o terceiro artigo para atingir o objetivo c), através de um estudo com dados quantitativos de 968 SDAs brasileiros.Seus resultados indicaram que, para esse conjunto de SDAslocalizados na região sul do Brasil, existe uma faixa de tamanho populacional (a partir de 15.870 habitantes) que obedece às leis de escala e, portanto, pode ter seu comportamento aparentemente “caótico” previsto. Existe uma ordem subjacente que indica hierarquia e regularidades quantitativas que podem ser apropriadas para estabelecer o planejamento de SDAs, considerando assim, o tamanho da cidade, o tamanho de SDAs, suas perdas de água e sua não linearidade.

Water Distribution Systems (WDSs) are usually modeled only as technical systems. However, such systems also interact with several social (for example, users and operators of WDSs) and organizational (for example, management systems of the companies that operate the WDSs), subject to the influence of the external environment (for example, political, economic, regulatory). In addition, the sub-systems mentioned interact dynamically with each other, being exposed to uncertainty and unanticipated variability. Thus, this thesis addresses WDSs as complex socio-technical systems (CSTS), a new perspective in the literature on WDSs. In particular, this study aims to identify how the theory of complexity can contribute to the understanding and control of losses in WDSs, which are a problem of great practical and persistent relevance in several countries. The specific objectives are: a) to identify the state of the art regarding the factors that influence the complexity of WDSs and impact on water losses; b) analyze, from the perspective of CSTSs, the relationships between the contributing factors to losses in WDSs; c) investigate the relationship between the size of the population in urban systems, the size of WDSs and the amount of losses in these systems, verifying whether this relationship obeys non-linear scale functions. The guiding approach of the thesis is mixed, including bibliographic research, case study and analysis of quantitative databases. For that, three articles were made. The first was carried out to achieve the specific objective a) through a systematic literature review, which identified 21 interrelated factors that influence the complexity of WDSs and their losses. These factors are responsible for the complex socio-technical nature of these systems, which is generally not emphasized by loss control methods. Their results also indicated that none of the methods for loss control encompasses all the attributes of complexity considered in the thesis. For example, the complexity attribute of non-linear interactions was considered by 45.2% of the methods. The second article was carried out to achieve the specific objective b). To this end, a case study was conducted at an WDS in a large Brazilian city in which a framework composed of five stages for the analysis of losses was developed and tested, namely: (i) definition of the limits and characterization of the system; (ii) quantification of losses, identification and classification of contributing factors; (iii) modeling of cause-effect relationships between factors; (iv) identification of countermeasures to control losses; and (v) comparison of expected delays for countermeasures. The application of this framework aimed to complement the existing loss control methods in the company, contributing to the assessment of the systemic impacts of the actions proposed by them. It allowed obtaining a cause and effect diagram for water losses, which presented the relationships between 17 factors that generate water losses, for the studied WDS. Finally, the third article was carried out to achieve objective c), through a study with quantitative data from 968 Brazilian WDSs. Its results indicated that, for this set of WDSs located in the southern region of Brazil, there is a population size range (from 15,870 inhabitants) that obeys the laws of scale and, therefore, can have its apparently “chaotic” behavior predicted. There is an underlying order that indicates hierarchy and quantitative regularities that may be appropriate to establish WDS planning, thus considering the size of the city, the size of WDSs, its water losses and its non-linearity. Key words: water distribution systems, losses, complex socio-technical systems, scaling laws.