Desarrollo de metodología para la simplificación de modelos de redes de abastecimiento de agua realizados con el software EPANET 2.2

Abstract

[ES] En general, los modelos informáticos son construidos para representar una realidad cuya complejidad imposibilita su análisis analítico. En el caso particular de las redes de distribución de agua, constituyen una potente herramienta de obtención de información útil para la toma de decisiones relacionadas con la operación de la red y la gestión del recurso. El problema surge cuando, en la búsqueda de aumentar la fiabilidad, suelen incorporarse gran parte de los elementos constitutivos de las redes, incluso aquellos que podrían ser considerados prescindibles. Esto conlleva a la obtención de modelos de distribución muy completos que si bien cumplen la función de emular correctamente la realidad que representan, suelen tornarse demasiado complejos para ciertos tipos de análisis cuando la red posee dimensiones topológicas de gran magnitud.

Un caso particular de lo mencionado son los modelos de operación y monitoreo de redes de abastecimiento en tiempo real. Estos sistemas deben ser lo suficientemente sencillos como para poder interpretar fácilmente los fenómenos que ocurren en el sistema. Otro caso común es el análisis de sustitución de tuberías para mejorar el funcionamiento de la red, muy utilizado por las empresas abastecedoras en su búsqueda por encontrar la forma más eficiente de invertir el dinero disponible para rehabilitación. En ambos casos, el trabajo se realiza con programas informáticos que ejecutan numerosas simulaciones variando diferentes parámetros topológicos e hidráulicos que conseguir la solución óptima que cumpla los criterios de cálculo prefijados. Evidentemente, la rapidez con que se ejecuta el algoritmo está directamente relacionada con las características topológicas de la red: a mayor complejidad y tamaño, mayor es el tiempo empleado.

A partir de lo anterior, surge la necesidad de realizar simplificaciones en aquellas infraestructuras cuyas dimensiones generan tiempos de simulación tan excesivos que dificultan e incluso imposibilitan la ejecución de análisis de optimización. Esta simplificación debe realizarse utilizando estrictos criterios topológicos e hidráulicos, puesto que los resultados obtenidos en la red simplificada deben ser lo suficientemente válidos como para poder ser extrapolados a la red original.

Para resolver el problema planteado, se propone desarrollar una metodología de simplificación de modelos de redes abastecimiento de agua realizados con el software EPANET 2.2. El objetivo es definir un procedimiento que permita obtener, a partir de una red inicial compleja, otra equivalente en términos hidráulicos pero topológicamente simplificada. El método se plantea por etapas definidas en base a los criterios de simplificación adoptados, lo cual permite que sea adaptable a múltiples tipos de redes y análisis. A su vez, se crean herramientas informáticas utilizando la Toolkit específica del software que ayudan a automatizar gran parte del proceso de sintetización, algo que aumenta considerablemente la practicidad de la metodología.

[EN] In general, computer models are built to represent a reality whose complexity makes analytical analysis impossible. In the particular case of water distribution networks, they constitute a powerful tool for obtaining useful information for making decisions related to the operation of the network and the management of the resource. The problem arises when, in the search to increase reliability, a large part of the constituent elements of the networks are usually incorporated, even those that could be considered expendable. This leads to obtaining very complete distribution models that, although they fulfill the function of correctly emulating the reality they represent, tend to become too complex for certain types of analysis when the network has large topological dimensions.

A particular case of the aforementioned are the models of operation and monitoring of supply networks in real time. These systems must be simple enough to be able to easily interpret the phenomena that occur in the system. Another common case is the analysis of pipe substitution to improve the operation of the network, widely used by supply companies in their search to find the most efficient way to invest the money available for rehabilitation. In both cases, the work is carried out with computer programs that run numerous simulations varying different topological and hydraulic parameters to achieve the optimal solution that meets the predetermined calculation criteria. Obviously, the speed with which the algorithm is executed is directly related to the topological characteristics of the network: the greater the complexity and size, the greater the time taken.

From the above, the need arises to carry out simplifications in those infrastructures whose dimensions generate simulation times so excessive that they make it difficult or even impossible to execute optimization analyzes. This simplification must be done using strict topological and hydraulic criteria, since the results obtained in the simplified network must be valid enough to be extrapolated to the original network.

To solve the problem, it is proposed to develop a methodology to simplify models of water supply networks made with the EPANET 2.2 software. The objective is to define a procedure that allows obtaining, from a complex initial network, another equivalent in hydraulic terms but topologically simplified. The method is proposed in stages defined based on the simplification criteria adopted, which allows it to be adaptable to multiple types of networks and analyzes. Additionally, computer tools are created using the software-specific Toolkit that help automate a large part of the synthesis process, something that considerably increases the practicality of the methodology.

[CA] En general, els models informàtics són construïts per a representar una realitat la complexitat de la qual impossibilita la seua anàlisi analítica. En el cas particular de les xarxes de distribució d'aigua, constituïxen una potent ferramenta d'obtenció d'informació útil per a la presa de decisions relacionades amb l'operació de la xarxa i la gestió del recurs. El problema sorgix quan, en la busca d'augmentar la fiabilitat, solen incorporar-se gran part dels elements constitutius de les xarxes, inclús aquells que podrien ser considerats prescindibles. Açò comporta a l'obtenció de models de distribució molt complets que si bé complixen la funció d'emular correctament la realitat que representen, solen tornar-se massa complexos per a certs tipus d'anàlisi quan la xarxa posseïx dimensions topològiques de gran magnitud. Un cas particular d'allò que s'ha mencionat són els models d'operació i monitoreo de xarxes d'abastiment en temps real. Estos sistemes han de ser prou senzills com per a poder interpretar fàcilment els fenòmens que ocorren en el sistema. Un altre cas comuna és l'anàlisi de substitució de canonades per a millorar el funcionament de la xarxa, molt utilitzat per les empreses abastidores en la seua busca per trobar la forma més eficient d'invertir els diners disponibles per a rehabilitació. En ambdós casos, el treball es realitza amb programes informàtics que executen nombroses simulacions variant diferents paràmetres topològics i hidràulics que aconseguir la solució òptima que complisca els criteris de càlcul prefixats. Evidentment, la rapidesa amb què s'executa l'algoritme està directament relacionada amb les característiques topològiques de la xarxa: a major complexitat i grandària, major és el temps empleat. A partir de l'anterior, sorgix la necessitat de realitzar simplificacions en aquelles infraestructures les dimensions de les quals generen temps de simulació tan excessius que dificulten i inclús impossibiliten l'execució d'anàlisi d'optimització. Esta simplificació ha de realitzar-se utilitzant estrictes criteris topològics i hidràulics, ja que els resultats obtinguts en la xarxa simplificada han de ser prou vàlids com per a poder ser extrapolats a la xarxa original. Per a resoldre el problema plantejat, es proposa desenrotllar una metodologia de simplificació de models de xarxes abastiment d'aigua realitzats amb el programari EPANET 2.2. L'objectiu és definir un procediment que permeta obtindre, a partir d'una xarxa inicial complexa, una altra equivalent en termes hidràulics però topològicament simplificada. El mètode es planteja per etapes definides basant-se en els criteris de simplificació adoptats, la qual cosa permet que siga adaptable a múltiples tipus de xarxes i anàlisi. Al seu torn, es creguen ferramentes informàtiques utilitzant la Toolkit específica del programari que ajuden a automatitzar gran part del procés de sintetización, quelcom que augmenta considerablement la practicidad de la metodología.