Modelo heurístico de rehabilitación de las redes de drenaje urbano mediante el uso combinado de la sustitución de conductos y la instalación de depósitos de retención

Abstract

[EN] The present work is part of the second phase of the project called "Urban Drainage and Climate Change: to the urban drainage systems of the future", developed by the Research Center in Aqueducts and Sewage Systems (CIACUA) of the Civil and Environmental Engineering Department of the University of Los Andes, in the Republic of Colombia, and the Hydraulic Engineering and Environment Department (DIHMA) of the Polytechnic University of Valencia (UPV).

IPCC ( Intergovernmental Panel of Climate Change") experts, based on the scenarios and projections of climatic models for the XXI century, announce that the increasing of the most intense rainfall both in magnitude and in frequency in most of regions of the planet is very likely. These alterations united to the growth and waterproofing of cities would cause that original design of drainage networks overload more assiduously and that are insufficient to carry out one of their main purposes: to protect until a determined level against urban flood events.

In this frame of climate change, among all those existing technologies to solve or alleviate negative consequencies of peak flows produced by excessive rains, this work focuses on those structural measures that control and reduce flows once they have entered into the net. And they are, basically, the construction of retention tanks and the rehabilitation of the network pipes.

This paper not only analyzes the technical alternatives for reducing these peak flows, but also the economic variable, which should be always taken into account in order to perform a project. Therefore, a tool to optimize those structural measures is intended to apply.

A methodology that, through the combined use of mathematical optimization and the hydraulic analysis of rainwater drainage, is applied and allows to obtain solutions for the rehabilitation of sewage systems. EPA-SWM is used as a model for the hydraulic analysis of the behaviour of the drainage network; and a optimization tool, which is based on a Pseudo-Genetic Algorithm (PGA), is utilized.

The starting point of this methodology is a calibrated mathematical model of the drainage network. The tool uses cost functions to quantify the investment in conduits and tanks and cost functions to appraise damages (in terms of monetary units) in case of urban flooding. The objective function is the sum of the mentioned cost functions. When dealing with a technical and economic optimization problem, with the simulations performed by the PGA, the minimization of the objective function is pursued, that is to say, the minimization of the budget of the civil work to carry out. The space of feasible solutions of the PGA depends on the decision variables of the problem: nodes, conducts and tanks. The potential solutions define the ducts to be replaced or rehabilitated and the locations in which the installation of storm tanks would be potentially interesting and which size they would have.

In practice, this method for the rainwater drainage problems is applied in one of the sectors of the sewage network in the city of Bogotá (Colombia). In this case of study, the problems presented by the network with the critical design storm are analyzed. Three rehabilitation scenarios are implemented: only with ducts, exclusive installation of retention tanks and, by last, the combined use of the two previously raised solutions (conduits and tanks).

[ES] El presente trabajo se enmarca dentro de la segunda fase del proyecto Drenaje Urbano y Cambio Climático: hacia los sistemas de drenaje urbano del futuro , desarrollado por el Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados (CIACUA) del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la Universidad de los Andes, en la República de Colombia, y el Departamento en Ingeniería Hidráulica y Medio Ambiente (DIHMA) de la Universidad Politécnica de Valencia (UPV).

Los expertos del IPCC ( Panel Intergubernamental del Cambio Climático ), en base a los escenarios y proyecciones de los modelos climáticos para el siglo XXI, anuncian que es muy probable que aumenten los episodios de precipitación más intensos tanto en magnitud como en frecuencia en la mayor parte de regiones del planeta. Estas alteraciones unidas al crecimiento e impermeabilización de las ciudades propiciarían que se sobrecargaran con mayor asiduidad los diseños originales de las redes de drenaje y que resultaran insuficientes para llevar a cabo uno de sus principales propósitos: proteger hasta un determinado nivel frente a eventos de inundación urbana.

En este marco de cambio climático, de las diversas tecnologías existentes para solucionar o paliar las consecuencias negativas de los caudales pico provocados por los excesos de lluvia, este trabajo se centra en aquellas medidas estructurales que controlan y reducen los caudales una vez que éstos han ingresado en la red. Y son, básicamente, la construcción de depósitos de retención y la rehabilitación de las conducciones de la red.

Este trabajo no sólo analiza las alternativas técnicas para reducir dichos caudales pico, sino que, además, incluye la variable económica a tener en cuenta siempre a la hora de realizar un proyecto. De ahí que se busque aplicar una herramienta para optimizar la inversión en esas medidas estructurales.

Se aplica una metodología que, a través del uso combinado de la optimización matemática y el análisis hidráulico de las redes de drenaje pluvial, permite obtener soluciones de rehabilitación de los sistemas de saneamiento. Se utiliza EPA-SWMM como modelo de análisis hidráulico del comportamiento de la red de drenaje; y se emplea una herramienta de optimización que se basa en un Algoritmo Pseudo-Genético (APG).

El punto de partida de esta metodología es un modelo matemático calibrado de la red de drenaje. La herramienta emplea unas funciones de coste para cuantificar la inversión en los conductos y los depósitos de retención y funciones de coste para tasar los daños (en términos de unidades monetarias) en caso de inundación urbana. La función objetivo es la suma de las mencionadas funciones de coste. Al tratarse de un problema de optimización técnico-económica, con las simulaciones que se realizan, se persigue la minimización de la función objetivo, esto es, del presupuesto de la obra civil a realizar. El espacio de soluciones factibles del APG depende de las variables de decisión del problema: nudos, depósitos y conductos. Las potenciales soluciones definen los conductos a sustituir o rehabilitar y en qué lugares sería potencialmente interesante la instalación de tanques de tormenta y de qué tamaño serían éstos.

En la práctica, este método para la solución de los problemas de drenaje pluvial se aplica en uno de los sectores de la red de alcantarillado en la ciudad de Bogotá (Colombia). En dicho caso de estudio, se analizan los problemas que presenta la red con la tormenta de proyecto crítica. Se implementan tres escenarios de rehabilitación: sólo con conductos, instalación exclusiva de tanques de retención y, por último, uso combinado de las dos soluciones anteriormente planteadas (conducciones y depósitos).