Propuesta para una metodología de sectorización de redes de abastecimiento de agua potable

Abstract

[EN] Drinking water is an indispensable resource for all processes involved in life. The problems of water supply networks (WSN) can be summarized in four broad areas: leakage and non-revenue water; physical integrity of the network; water quality and reliability, and quality of the databases associated to water distribution systems. In particular, leakage may become of the order of 50% of water injected in a WSN. Today, networks without any water losses would be considered utopian, given the technical and economic implications that this would imply. However, there have been important advances in the understanding and development of equipment and techniques that allow better comprehension and management of leakages. Among these techniques, it is important to highlight the segmentation, which is considered a strategic option which involves the subdivision of small sub networks by closing valves and installing flow meters. One of the major benefits of its implementation is the increased ease at which any abnormality is detected within the subsector due to the dimensional reduction. In most cases, sectorization processes are implemented with great lack of scientific rigor. On the contrary, sectorization is usually based on trial-and-error procedures. In smaller networks, this type of approach is usually straightforward. The problem is the proper definition of sectors in larger networks, where, given the large amount of information associated with the WSN, the implementation of a process of this nature, without the support of tools, would not be feasible. The main objective of the thesis is to establish a computational procedure for obtaining a layout of sectorization of a WSN. In this layout, the network is split into trunk and distribution network. The process not only uses traditional hydraulic or geographical features of RDAP as criteria, but also takes into consideration the leaks into the network. The process involves the next steps: (1). Define within the WSN the trunk and the lines that form the distribution network. This step is completed based on the diameter of the pipes, setting a minimum diameter range to distinguish between trunk and distribution network; (2). Estimate the number of sectors that should have the distribution network in question, by means of a computer technique of cluster analysis; (3). Define the number of microsectors calculated in the previous step, using spectral clustering; (4). Define the entrance (of water) to the sectors based on energy criteria; (5). Validation of the sectorization obtained (through mathematical modeling). Segregation of the distribution network and the trunk helps to conserve the flexibility of the network in the event that, in the future, the sectoring scheme changes, and also to save costs by installing valves and flow meters of large diameter. This work demonstrates the applicability of Machine Learning to tackle the proposed task. By using hierarchical clustering a number of sectors with the highest degree of homogeneity regarding their characteristics are found. Then spectral clustering is able to improve the results of hierarchical clustering, finding a partition while maintaining consistency of the characteristics of each of the sectors, and minimizing the number of valves to be used to make the partition. The use of indicators of energy dissipation through the network enables to find water entrances to each sector so as to minimize the energy dissipated by the network, and ensures the highest possible pressure at the consumers’ nodes. Following this proposal, It was managed to get an example network sectioned (100 km network divided into three sectors) that maintains the pressure within the ranges established as appropriated, and decreases the level of leakage just by its implementation

[ES] El agua potable es un recurso indispensable para todo proceso relacionado con la vida. Los problemas de las Redes de Abastecimiento de Agua Potable (RDAP) pueden resumirse en cuatro aspectos generales: fugas y agua no contabilizada; integridad física de la red; calidad de agua a distribuir; fiabilidad y calidad de la base de datos de los sistemas de distribución de agua. En particular, las fugas pueden llegar a ser del orden del 50% del agua que es inyectada a una RDAP. Hoy por hoy, redes sin ningún tipo de pérdida se considerarían una utopía, tanto por las implicaciones técnicas como económicas que esto representaría; no obstante, ha habido un gran avance en el conocimiento y desarrollo de equipos y técnicas que permiten hacer un seguimiento más exhaustivo de las fugas en ellas. Dentro de estas técnicas se destaca la sectorización, que es considerada como una opción estratégica que implica la subdivisión de las redes en pequeñas subredes mediante el cierre de válvulas e instalación de caudalímetros. Como uno de los grandes beneficios de su implementación se destaca el aumento de la facilidad con la que se detecta cualquier anormalidad dentro de la subred debido a la reducción de su tamaño. En la mayor parte de los casos en los que se ejecuta un proyecto de sectorización, no se suele seguir el proceso con un rigor científico-técnico y por el contrario, suele basarse en aproximaciones de prueba y error. En redes de menor tamaño, este tipo de aproximación, no necesariamente tiene que representar un gran problema. El problema es la definición apropiada de sectores en redes de mayor tamaño, en donde, dada la gran cantidad de información asociada a las mismas, sería inviable la ejecución de un proceso de esta naturaleza sin el apoyo de herramientas informáticas. El objetivo principal de la tesis es establecer un procedimiento informático para la obtención de un plano de red sectorizada, que divida una RDAP en una red de alta y una red de distribución y que, además, no sólo emplee como criterios las características hidráulicas tradicionales o geográficos de las RDAP, sino que también tenga en cuenta las fugas en la red. Para esta tarea, se sigue un proceso que implica: (1). Definir dentro de la RDAP de estudio las líneas que constituyen la red primaria y las líneas que constituyen la red de distribución. Este paso se efectuará en función del diámetro de las conducciones, estableciendo un rango de diámetro mínimo para distinguir entre red de alta y red de distribución; (2). Estimar el número de sectores que debe tener la red de distribución en cuestión, mediante la aplicación de una técnica informática de análisis de clústeres; (3). Establecer la distribución del número de microsectores calculados en el paso anterior, mediante clústering espectral; (4). Definir las entradas a los sectores con base en criterios energéticos; (5). Validar el esquema de sectorización resultante mediante modelización matemática. Con la segregación de la red de distribución y la red de alta, se conserva la flexibilidad de la red en el caso de que en el futuro se requiera variar el esquema de sectorización seleccionado y también se ahorran costes por la instalación de válvulas y caudalímetros de gran diámetro. En este trabajo se demuestra la aplicabilidad de Aprendizaje Automático Computacional (ML, machine learning) para abordar la tarea propuesta. Mediante clústering jerárquico, se logró estimar un número de sectores en los que se conserve el mejor grado de homogeneidad posible de las características de los sectores, lo que luego facilita que la red presente un buen rendimiento energético. Mediante el proceso de clústering espectral se logran mejorar los resultados de clústering jerárquico, encontrando una partición que además de mantener la homogeneidad de las características de cada uno de los sectores, minimice el número de válvulas que se deben emplear para hacer la partición. El empleo de indicadores de disipación de energía a través de la red, ha permitido encontrar las entradas a cada sector de manera tal que se minimice la energía disipada por la red y se garantice la mayor presión posible en los nodos de consumo. Con esta propuesta, se logró obtener un plano de red sectorizada (100 km de red, división en tres sectores) que mantiene la presión dentro de los rangos establecidos como apropiados y que a su vez conduce a una disminución del nivel de fugas tan sólo por implementarla.