Estudio de la probabilidad de rotura de tuberías en abastecimientos urbanos con la ayuda de modelos estadísticos e hidráulicos. Estrategias de renovación de activos

Abstract

The integrated and sustainable management of water resources is a task that has become more important in recent decades due to the exponential increase of the worldwide population, the effects caused by climate change and the shortage of fresh water. To accomplish an efficient water management is complicated for the companies responsible for distributing the resource due to the number of factors that must be considered in the processes of collection, purification and distribution of the resource. The control and reduction of leaks in the supply networks is one of the most efficient strategies implemented today to achieve an effective management of the volume of water injected into the network and delivered to users. Mainly, it must be considered that most of the elements of a distribution networks are in a state of deterioration due to aging, which in many cases leads to the appearance of leakage or pipe breaks. These ones may prevent the fulfillment of the service conditions that must be guaranteed to users, such as an adequate pressure of service and the water quality. Additionally, depending on the breaks importance, major consequences could happen such as floods and damage to adjacent structures. The main objective of the present Master thesis is to develop a methodology that allows describing and determining the trend followed by the appearance of breaks in supply networks, in order to improve the management of assets on such systems. Selected case studies correspond to water supply system of Algemesí and two areas of the distribution system of the city of Valencia, specifically Jesus (9-A) and Nazareth (11 C) sectors. Each one of these, are managed by the company Aguas de Valencia S.A. Initially the information collected by the company during the resolution of incidents has been analyzed and refined to have a clear and well-structured database. Subsequently, a statistical analysis of the register of the breaks that have been registered in the city of Valencia was done, to determine the existence of outliers within the database and determine the factors that are significant or influential in the occurrence of such phenomena, obtaining as a significant variable pipe material type. Then, the prediction model implemented by Shamir and Howard (1979) was implemented, This model states that the growth of the rate of failure of assets depending on their age, occurs exponentially. This analysis has been applied to pipes of asbestos cement, ductile cast iron, grey cast iron and polyethylene, which are the most abundant materials in the systems studied types. Looking to improve the extent and quality of data bases used by the management company, data collection form has been created to the collection of information during the resolution of incidents, based on the variables considered by some probabilistic models and failure prediction model consulted in the literature review, as in the variables that must be registered according to the standard ISO/FDIS 24516 "Guidelines for the management of assets in drinking water systems and water waste". On the other hand, in order to study the influence of the variation of pressure in the appearance of breaks and determine the hydraulic reliability of the network elements, hydraulic models have been developed. The use of this models allowed to analyze through simulations, the behavior of the system in more detail. As a result, a methodology that allows the evaluation of assets¿ importance, based on factors such as the maximum flow of transported and the number of failures that can occur in such pipes has been developed, facilitating in this way the decision-making and the establishment a plan for renewal and replacement of assets.

La gestión integral y sostenible de los recursos hídricos es una tarea que ha adquirido mayor importancia en las últimas décadas debido al aumento exponencial de la población a nivel mundial, a los efectos causados por el cambio climático y a la escasez de agua dulce. La realización de una gestión eficiente del agua es una labor complicada para las compañías encargadas de distribuir el recurso debido a la cantidad de factores que deben considerarse en todos los procesos de captación, potabilización y distribución del recurso. El control y disminución de pérdidas en las redes de abastecimiento es una de las estrategias más eficientes implementadas en la actualidad para lograr un manejo eficaz del volumen de agua inyectado en la red y entregado a los usuarios. Principalmente se debe considerar que las redes de distribución están compuestas por elementos que en su gran mayoría se encuentran en estado de deterioro debido a la edad que presentan los mismos, lo que da lugar a la aparición de fugas o en muchos casos roturas frecuentes en las tuberías. La aparición de fallos en la red puede llegar a impedir que se satisfagan las condiciones de servicio que deben garantizarse a los usuarios, como son la presión de servicio y la calidad del agua. Adicionalmente, dependiendo de la magnitud de las roturas, pueden generarse consecuencias mayores tales como inundaciones y daños en estructuras adyacentes. El objetivo principal del presente Trabajo de Fin de Máster, es desarrollar una metodología que permita describir y determinar la tendencia seguida por la aparición de roturas en las redes de abastecimiento, con el fin de mejorar la gestión de los activos de dichos sistemas. Los casos de estudio seleccionados corresponden a la red de abastecimiento de la población de Algemsí y a dos sectores del sistema de distribución de la ciudad de Valencia, específicamente los sectores Jesús (9-A) y Nazaret (11-C). Cada una de éstas, se encuentran gestionadas por la empresa Aguas de Valencia S.A. Inicialmente se ha analizado la información recogida por la compañía durante la resolución de incidencias y se ha depurado para contar con una base de datos clara y bien estructurada. Posteriormente, se ha realizado un análisis estadístico del registro de las roturas que se han presentado en la ciudad de Valencia, para determinar la existencia de valores atípicos y los factores que son más significativos o influyentes en la aparición de dichos fenómenos, obteniéndose como variable significativa el tipo de material de la tubería. Seguidamente, se ha empleado el modelo de predicción de roturas establecido por Shamir y Howard (1979), el cual plantea que el crecimiento de la tasa de fallos de los activos en función de su edad, se da de forma exponencial. Este análisis ha sido aplicado para tuberías de Fibrocemento, Fundición Dúctil, Fundición Gris y Polietileno, los cuales son los tipos de materiales más abundantes dentro de los sistemas estudiados. Buscando mejorar la extensión y la calidad de las bases de datos manejadas por la compañía gestora, se ha planteado una ficha tipo para la recolección de información durante la resolución de incidencias, basándose tanto en las variables consideradas por algunos modelos probabilísticos y de predicción de fallos consultados en la revisión bibliografía, como en las variables que deben registrase según la Norma ISO/FDIS 24516 ¿Pautas para la gestión de activos en sistemas de agua potable y aguas residuales¿. Por otra parte, con el fin de estudiar la influencia de la variación de presiones en la aparición de roturas y determinar la fiabilidad hidráulica de los elementos de la red, se han desarrollado los modelos hidráulicos respectivos, los cuales han permitido analizar mediante simulaciones, el comportamiento del sistema durante de forma más detallada. Como resultado, se ha planteado una metodología que permite evaluar la importancia

[CA] La gestió integral i sostenible dels recursos hídrics és una tasca que ha adquirit major importància en les últimes dècades a causa de l'augment exponencial de la població a nivell mundial, als efectes causats pel canvi climàtic i a l'escassetat d'aigua dolça. La realització d'una gestió eficient de l'aigua és una labor complicada per a les companyies encarregades de distribuir el recurs degut a la quantitat de factors que s’han de tindre en consideració en tots els processos de captació, potabilització i distribució del recurs. El control i disminució de pèrdues en les xarxes d'abastiment és una de les estratègies més eficients implementades en l'actualitat per tal d’aconseguir un maneig eficaç del volum d'aigua injectat en la xarxa i entregat als usuaris Principalment s'ha de considerar que les xarxes de distribució estan compostes per elements que en la seua gran majoria es troben en estat de deteriorament degut a l'edat que presenten els mateixos, la qual cosa dóna lloc a l'aparició de fugues o en molts casos ruptures freqüents en les canonades. L'aparició de fallades en la xarxa pot arribar a impedir que se satisfacen les condicions de servici garantides als usuaris, com són la pressió de servici i la qualitat de l'aigua. Addicionalment, depenent de la magnitud de les ruptures, poden generar-se conseqüències majors com ara inundacions i danys en estructures adjacents. L'objectiu principal del present Treball de Fi de Màster, és desenvolupar una metodologia que permeta descriure i determinar la tendència seguida per l'aparició de ruptures en les xarxes d'abastiment, a fi de millorar la gestió dels actius dels sistemes. Els casos d'estudi seleccionats corresponen a la xarxa d'abastiment de la població d'Algemsí i a dos sectors del sistema de distribució de la ciutat de València, específicament els sectors Jesús (9-A) i Natzaret (11-C). Cadascuna d'estes, es troben gestionades per l'empresa Aigües de València S.A. Inicialment s'ha analitzat la informació arreplegada per la companyia durant la resolució d'incidències i s'ha depurat per a comptar amb una base de dades clares i ben estructurada. Posteriorment, s’ha realitzat una anàlisi estadística del registre de les ruptures que s'han presentat en la ciutat de València, per tal de determinar l'existència de valors atípics i els factors que són més significatius o influents en l'aparició dels esmenats fenòmens, obtenint-se com a variable significativa el tipus de material de la canonada. A continuació, s'ha empleat el model de predicció de ruptures establit per Shamir i Howard (1979), el qual planteja que el creixement de la taxa de fallades dels actius en funció de la seua edat, es dóna de forma exponencial. Esta anàlisi ha sigut aplicada per a canonades de Fibrociment, Fosa Dúctil, Fosa Grisa i Polietilé, els quals són els tipus de materials més abundants dins dels sistemes estudiats. Buscant millorar l'extensió i la qualitat de les bases de dades utilitzades per la companyia gestora, s'ha plantejat una fitxa tipus per a la recol·lecció d'informació durant la resolució d'incidències, basant-se tant en les variables considerades per alguns models probabilístics i de predicció de fallades consultats en la revisió bibliografia, com en les variables que s’han de registrar segons la Norma ISO/FDIS 24516 "Pautes per a la gestió d'actius en sistemes d'aigua potable i aigües residuales”. D'altra banda, a fi d'estudiar la influència de la variació de pressions en l'aparició de ruptures i determinar la fiabilitat hidràulica dels elements de la xarxa, s'han desenvolupat els models hidràulics respectius, els quals han permés analitzar per mitjà de simulacions, el comportament del sistema durant de forma més detallada. Com resultat, s'ha plantejat una metodologia que permet avaluar la importància que tenen els actius del sistema basant-se en factors com el cabal màxim transportat i el nombre de fallades que poden ocórrer en les dites canonades, facilitant-se d'esta manera la presa de decisions i l'establiment un pla de renovació i substitució d'actius.