Análisis, caracterización y modelación 3D de fugas de agua en sistemas de abastecimiento de agua mediante imágenes de GPR

Abstract

[ES] Los esfuerzos que hacen los países, en conjunto con organizaciones mundiales, tales como IWA (por International Water Association), ONU-Agua y OMS (Organización Mundial de la Salud), para mitigar el impacto ambiental en el campo de la hidráulica urbana son considerados de vital importancia. Sin embargo, la escasez de los recursos hídricos en el mundo aumenta diariamente. Esto viene dado por el aumento constante de la demanda en los sectores industrial, agrícola y urbano, provocado por el aumento poblacional y el cambio climático. Los administradores de los sistemas de abastecimiento de agua (WSSs, por sus siglas en inglés, water supply systems) se han visto desafiados a suplir la creciente demanda de los diferentes sectores con la cantidad, calidad y eficiencia necesarios y, a su vez, reducir el desperdicio y el mal uso del recurso.

Desde esta perspectiva, las fugas de agua son el mayor problema que enfrentan los administradores de estas empresas de servicios públicos. Las fugas en una red provocan problemas de salud, de escasez, económicos y medioambientales. El uso de técnicas de inspección no destructivas debe favorecer una rápida identificación de problemas, para realizar acciones posteriores de reparación en la red. Este trabajo hace uso del GPR (siglas en inglés de ground penetrating radar) como técnica de inspección no destructiva porque: favorece la exploración del subsuelo sin causar alteraciones al medio, es de fácil aplicación y, además, permite obtener pseudo imágenes del subsuelo.

Uno de los objetivos de este documento es identificar y extraer características de una fuga en un WSS mediante imágenes de GPR, con el fin último de recrear las fugas a través de modelos 3D. Se realizaron ensayos de laboratorio bajo condiciones controladas donde se emuló una parcela en la cual se había enterrado una tubería con una pequeño orifico que simula una fuga de agua; tras introducir agua al sistema, se realizaron prospecciones con el GPR. Una vez finalizada la exploración del subsuelo, dado que las imágenes de GPR en bruto obtenidas no son fácilmente interpretables por personal no experto, tales imágenes fueron sometidas a procesamiento de datos que favorezcan su fácil interpretación.

Este documento presenta dos metodologías de procesamiento de datos que permiten obtener imágenes a partir de las cuales es posible identificar tanto los componentes del sistema como la fuga y su alcance. Las metodologías de tratamiento de datos aplicadas en este documento son una metodología basada en sistemas multi-agente y el filtro de varianza, metodología basada en parámetros estadísticos de segundo orden. Posteriormente, tras aplicar estas metodologías de procesamiento a las imágenes, se sometieron los resultados a un análisis que facilitase la mejor elección evitando la subjetividad del experto. Bajo este concepto, este documento propone el uso conjunto de técnicas multicriterio. Se utilizó el Proceso de Jerarquía Analítica Difusa (FAHP, por sus siglas en inglés, Fuzzy Analytical Hierarchy Process), que permite ponderar varios criterios de evaluación, con el propósito de mitigar la incertidumbre que caracterizan los juicios de los expertos, en conjunto con el método ELECTRE III para obtener la clasificación final de alternativas, todo esto de la manera más objetiva posible.

Los resultados de este documento son satisfactorios, permitiendo obtener amplio conocimiento de las fugas y su interacción con el subsuelo, proporcionando pautas para desarrollar posteriormente metodologías de automatización que permitan localizar, seguir y predecir problemas en los WSSs.

[CA] Els esforços que fan els països en conjunt amb organitzacions mundials, como ara IWA (per International Water Association), ONU-Agua i OMS (per Organització Mundial de la Salut), per a mitigar l'impacte ambiental en el camp de la hidràulica urbana són considerats de vital importància. No obstant això, l'escassetat dels recursos hídrics en el món augmenta diàriament, donat per l'augment constant de la demanda en els sectors industrial, agrícola i urbà, provocat per l'augment poblacional i el canvi climàtic. Els administradors dels sistemes d'abastiment d'aigua (WSSs, per les seus sigles en anglès, water supply systems) s'han vist desafiats a suplir la creixent demanda dels diferents sectors amb la quantitat, qualitat i eficiència necessaris i, al seu torn, reduir el desaprofitament i el mal ús del recurs.

Enfocant aquesta perspectiva, les pèrdues d'aigua són el problema més gran fet front pels directors d'aquestes utilitats. Les pèrdues d'aigua en una xarxa provoquen problemes de salut, d'escassetat, econòmics i mediambientals. L'ús de tècniques d'inspecció no destructives que afavoreixen una ràpida identificació per a realitzar accions de reparació posteriors en la xarxa. Aquest treball fa ús del GPR (sigles en anglès per ground penetrating radar) com a tècnica d'inspecció no destructiva perquè afavoreix l'exploració del subsol sense causar alteracions al entorn, és de fàcil aplicació i a més permet obtenir pseudo imatges del subsol.

Un dels objectius d'aquest document és identificar i extraure característiques d'una pèrdua en un WSS mitjançant imatges de GPR, amb la fi última de recrear les pèrdues a través de models 3D. Es van realitzar assajos de laboratori sota condicions controlades on es va emular una parcel¿la en la qual s'ha enterrat una canonada amb una xicotet forat que simula una pèrdua d'aigua; després d'introduir aigua al sistema, s'obtenen prospeccions amb el GPR. Una vegada finalitzada l'exploració del subsol, atès que les imatges de GPR en brut obtingudes no són fàcilment interpretables per personal no expert, són sotmeses a processament de dades que afavorisquen la seua fàcil interpretació.

Aquest document presenta dues metodologies de processament de dades que permeten obtenir imatges de les quals és possible identificar tant els components del sistema com la pèrdua i el seu abast. Les metodologies de tractament de dades aplicades en aquest document són una metodologia basada en multi-agents (MABS, per les seves sigles en anglès, multi-agent-based systems) i el filtre de variància, metodologia basada en paràmetres estadístics de segon ordre. Posteriorment, després d'aplicar aquestes metodologies de processament a les imatges se sotmeten els resultats a una anàlisi que faciliti la millor elecció evitant la subjectivitat de l'expert. Sota aquest concepte, aquest document proposa l'ús conjunt de tècniques de decisió multi-criteri (MCDM, per les seves sigles en anglès, multi-criteria decision-making). Es va utilitzar el Procés de Jerarquia Analítica Difusa (FAHP, per les seves sigles en anglès, Fuzzy Analytical Hierarchy Process) el qual s'utilitza per a ponderar diversos criteris d'avaluació, amb el propòsit de mitigar la incertesa que caracteritzen els judicis dels experts, en conjunt amb el mètode ELECTRE III, per a obtenir la classificació final d'alternatives, tot això de la manera més objectiva possible.

Els resultats d'aquest document són satisfactoris, permetent obtenir ampli coneixement de les pèrdues d'aigua i la seua interacció amb el subsol, donant-nos la pauta per a desenvolupar posteriorment metodologies d'automatització que permeten localitzar, seguir i predir problemes en els WSSs.

[EN] The efforts made by the countries in collaboration with world organizations, such as IWA (for International Water Association), UN-Water and WHO (for World Health Organization), to mitigate the environmental impact in the field of urban hydraulics are considered of vital importance. However, the scarcity of water resources in the world increases daily, given by the constant increase in demand in the industrial, agricultural and urban sectors, caused by the population increase and the climate change. Managers of water supply systems (WSSs) are challenged to supply the growing demand of different sectors with sufficient quantity, quality and efficiency and, in turn, reduce waste and misuse of the resource.

Focusing this perspective, water leaks are the biggest problem faced by the managers of these utilities. Leaks in a network cause health, shortage, economic and environmental problems. The use of non-destructive inspection techniques favors rapid identification to carry out subsequent repair actions on the network. This work makes use of the GPR (ground penetrating radar) as a non-destructive inspection technique because: it favors the exploration of the ground without causing alterations to the environment, it is easy to apply, and also allows to obtain pseudo images of the subsoil.

This document presents two data processing methodologies that allow obtaining images from which it is possible to identify both the system components and the leak and its scope. The data treatment methodologies applied in this document are a multi-agent-based system (MABS) methodology and the variance filter, a methodology based on second-order statistical parameters. Subsequently, after applying these processing methodologies to the images, the results are subjected to an analysis that eases the best choice, avoiding expert's subjectivity. Under this concept, this document proposes the joint use of two multi-criteria decision-making (MCDM) methods. The Fuzzy Analytical Hierarchy Process (FAHP) is used first to weight various evaluation criteria, in order to mitigate the uncertainty that characterize the experts' judgments, in conjunction with the ELECTRE III method, to obtain the final classification of alternatives in the most objective way.

The results of this document are satisfactory, allowing to obtain extensive knowledge of leaks and their interaction with the subsoil, giving a guideline to subsequently develop automation methodologies that allow locating, monitoring and predicting problems in WSSs.