Desarrollo de una metodología para la evaluación de la resiliencia de las redes de distribución de agua atendiendo a criterios de operatividad y rendimiento

Abstract

[ES] Los cambios demográficos y el crecimiento exponencial que han experimentado los centros urbanos en las últimas décadas han requerido la incorporación de principios como sostenibilidad (para las etapas de diseño) y gestión de la infraestructura hidráulica, debido a su implicancia social, económica y política en los asentamientos actuales. Conceptos como la resiliencia son parámetros cada vez más utilizados a la hora de analizar y evaluar la sostenibilidad de diversos tipos de sistemas, incluyendo los Sistemas de Distribución de Agua (SDA). La resiliencia es un concepto abstracto que por lo general se interpreta como una medida de la capacidad de un sistema para hacer frente ante incertidumbres, la cual habitualmente se caracteriza a través de un índice o indicador. Los índices de resiliencia más utilizados en SDA expresan la relación existente entre el agua suministrada a los usuarios y la demanda correspondiente. Sin embargo, el análisis de la resiliencia de un SDA debe ser evaluado bajo diversos escenarios operativos, incluyendo condiciones de funcionamiento normal, punta y crítico. Cuando se habla de funcionamiento de un SDA en estado crítico se hace referencia a un estado de falla de este, el cual puede tener un origen tanto mecánico (rotura de tuberías, fallas de válvulas de control, fallas de bombas, etc.) como hidráulico (excesos de presión, cambios en la demanda, dimensionamiento inadecuado de las conducciones, envejecimiento de las tuberías, capacidad de almacenamiento insuficiente, capacidad de bombeo insuficiente, etc.). La capacidad de definir y cuantificar la resiliencia de un SDA es particularmente importante a la hora de tomar de decisiones en beneficio de la población. No obstante, el establecimiento de criterios explícitos que permitan medir la resiliencia ha resultado ser un problema para la comunidad investigadora dada principalmente por la complejidad y la no linealidad de los SDA. Es por ello, que se ha planteado una metodología práctica y simplificada que permite evaluar y cuantificar la resiliencia de un SDA a través de un indicador, el cual basa su estructura de cálculo en el análisis energético del sistema, siendo este aplicable tanto para condiciones normales de funcionamiento como al someter al sistema a eventos de fallo controlado, como lo son las roturas de tuberías. Con la finalidad de probar la aplicabilidad de la metodología desarrolla, se utilizaron SDA tanto reales como sintéticos que cumplían con las características para ser considerados como casos de estudio. Para el desarrollo de este trabajo se utilizó EPANET 2.2.0 como herramienta para la simulación del funcionamiento de los SDA, en conexión con las funciones y procedimientos de la librería Toolkit, que permiten llevar a cabo procesos como caracterización, análisis y optimización de este tipo de sistemas, reduciendo de esta manera la carga computacional y los tiempos de simulación. En adición, se creó un modelo de simulación práctico y sencillo que permite realizar un análisis y medición de la resiliencia a partir de los modelos matemáticos de los SDA para diversas condiciones de operatividad.

[EN] The demographic changes and the exponential growth that urban centers have experienced in recent decades have required the incorporation of principles such as sustainability (for the design stages) and management of hydraulic infrastructure, due to their social, economic and political implications in the current settlements. Concepts such as resilience are parameters that are increasingly used when analyzing and evaluating the sustainability of various types of systems, including Water Distribution Systems (WDS). Resilience is an abstract concept that is generally interpreted as a measure of the ability of a system to cope with uncertainties, which is usually characterized through an index or indicator. The most used resilience indices in WDS express the relationship between the water supplied to users and the corresponding demand. However, the resilience analysis of an WDS must be evaluated under various operating scenarios, including normal, peak and critical operating conditions. When talking about the operation of an WDS in a critical state, it refers to a state of failure of this, which can have a mechanical origin (broken pipes, control valve failures, pump failures, etc.) as well as hydraulic (excess pressure, changes in demand, inadequate sizing of pipes, aging pipes, insufficient storage capacity, insufficient pumping capacity, etc.). The ability to define and quantify the resilience of an WDS is particularly important when making decisions for the benefit of the population. However, the establishment of explicit criteria to measure resilience has turned out to be a problem for the research community, mainly due to the complexity and non-linearity of WDSs. That is why a practical and simplified methodology has been proposed that allows evaluating and quantifying the resilience of an WDS through an indicator, which bases its calculation structure on the energy analysis of the system, being this applicable both for normal conditions such as by subjecting the system to controlled failure events, such as pipe breaks. In order to test the applicability of the methodology developed, both real and synthetic WDSs were used that met the characteristics to be considered as case studies. For the development of this work, EPANET 2.2.0 was used as a tool for the simulation of the operation of WDSs, in connection with the functions and procedures of the Toolkit library, which allow to carry out processes such as characterization, analysis and optimization of this type of systems, thus reducing the computational load and simulation times. In addition, a practical and simple simulation model was created that allows an analysis and measurement of the resilience from the mathematical models of the WDSs for various operating conditions.