Diseño de maniobras de gestión de presiones en sectores de distribución de agua y análisis de su impacto

La presente tesis realiza una contribución metodológica al problema de la gestión integral de procesos de regulación de presión en redes de distribución de agua urbana mediante válvulas reductoras de presión. En este estudio se contemplan dos etapas de este tipo de proyectos: diseño de las maniobras de regulación y evaluación de su impacto. Las finalidades para las que se puede implantar un plan de este tipo son diversas. Esta tesis se ha focalizado en dos de las más relevantes: reducción de caudal fugado y mejora del servicio sobre usuarios. El caudal fugado tiene una relación directa con la presión de la red. A mayor presión en la red mayor será el caudal perdido a través de pequeños orificios o roturas. Por lo tanto, la reducción de la presión beneficia la disminución de estas pérdidas. Contrariamente, una reducción de presión excesiva, puede influir negativamente en la calidad del nivel de servicio a usuarios. Un criterio establecido de forma generalizada por parte de las empresas operadoras para ofrecer un buen nivel de servicio es definir un valor de presión de referencia de servicio como límite inferior para definir el rango de presión en todos los nodos de la red. Este conflicto entre reducir la presión para evitar fugas pero no demasiado para no afectar a los usuarios, hace que en ocasiones sea complejo definir las maniobras de regulación más eficientes. Tras una detallada revisión de la bibliografía, se ha observado que los trabajos en este ámbito utilizan, en general, métodos y criterios ‘ad-hoc’ basados en la experiencia del profesional encargado del diseño del plan de gestión de presiones. Existen enfoques más académicos para aspectos concretos, como por ejemplo, la definición de una consigna de regulación a través del planteamiento de problemas de optimización. No obstante, la mayoría de estudios encontrados, si bien aportan gran valor, están enfocados en un aspecto específico, careciendo de capacidad de generalización. La metodología para el diseño de planes de gestión de presiones propuesto en esta tesis se ejecuta en dos pasos. Primero, la selección de la técnica de regulación más conveniente atendiendo a las características de la zona regulada, a los patrones de consumo y a condicionantes económicos. Segundo, la definición de la consigna de regulación óptima en función de los objetivos perseguidos y las restricciones impuestas en cada caso. En relación a los métodos para evaluar el impacto que tienen dichas maniobras sobre los objetivos perseguidos – disminución de caudal fugado y mejora del servicio a usuarios – existen múltiples enfoques. Por un lado, se pueden utilizar modelos numéricos con la ventaja de que ofrecen valores de forma distribuida en todos los nodos y líneas, aunque con la desventaja de falta de representatividad de los escenarios hidráulicos que suceden en tiempo real. Por otro lado, existen métodos agregados como la utilización del balance hidráulico y el concepto de Caudal Mínimo Nocturno, más generalizables y utilizando datos obtenidos de dispositivos monitorización, con mayor capacidad de tratamiento en tiempo real. Su mayor inconveniente es que su utilización conlleva la introducción de una serie de hipótesis simplificativas, con la incertidumbre asociada en los resultados obtenidos. Como segundo gran aporte de esta tesis, se proponen una serie de métodos y criterios originales para analizar el impacto de la gestión de presiones. Especialmente relevantes son los sub-métodos propuestos para mejorar diferentes fases de la estimación de fugas a través del concepto caudal mínimo. Los métodos propuestos se aplican sobre varios casos de estudio comparando los resultados con técnicas más convencionales y evaluando su potencial a la hora de mejorar la precisión en las estimaciones. Los múltiples aspectos tratados, son recogidos finalmente en forma de herramienta que pueda asistir a los gestores de este tipo de infraestructuras y a investigadores en la toma de decisión de estas dos fases – diseño y evaluación del impacto – ofreciendo un entorno versátil, multi-criterio y adaptable a los datos disponibles en cada caso de estudio. This thesis presents a methodological contribution to address the problem about how to manage pressure regulation processes in urban water distribution systems through pressure reducing valves. Two stages of these projects are studied: design of regulation operations and assessment of its impact. Several purposes can be searched with this type of operations. This thesis has focused on two of the most relevant: reduction of leakage flow and customer service improvement. The leakage flow has a direct relationship with the pressure of the network. The higher the pressure in the network the greater the flow lost through small holes or breaks. Therefore, pressure reduction benefits the decrease of water losses. Conversely, an excessive pressure reduction may adversely affect the quality of service level to users. A widespread criterion implemented by water utilities to comply this target is to offer pressure at all nodes above a predefined value which ensure a good service. This conflict between reducing the pressure to avoid leakage but not too much to not affect users, makes it sometimes difficult to define the most efficient regulation operation rules. After a detailed review of the literature, it was observed that most of the existing studies or projects in this field use 'ad-hoc' methods and criteria based on the experience of the professional in charge of the design of the pressure management plan. Certain academic approaches are more focused on specific aspects, for example, the definition of a regulation slogan through the approach of optimization problems. However, most of the studies found, while providing great value, are focused on a specific aspect, lacking a capacity for generalization. The methodology for the design of pressure management plans proposed in this thesis is executed in two steps. First, the most appropriate regulation technique is selected: considering three features: characteristics of the regulated area, consumption patterns and economic constraints. Secondly, the optimal regulation pressure-curve is defined according to the objectives pursued and the constraints imposed in each case. Related to the existing methods to assess the impact of such operation rules - reducing leakages and improving user level of service - there are multiple approaches. On the one hand, it is possible to use numerical models with the advantage that they offer values in a distributed way in all the nodes and lines. Its main disadvantage is that they can provide results which do not represent real time conditions. On the other hand, there are aggregated methods such as the use of water balance and the concept of Minimum Night Flow, more which can be used more globally and using data obtained from monitoring devices, with greater capacity for real-time evaluation. Its main drawback is that its use involves the introduction of a series of simplifying assumptions, with the associated uncertainty in the results obtained. As a second major contribution of this thesis, a series of original methods and criteria are proposed to analyze the impact of pressure management. Especially relevant are the sub-methods proposed to improve different phases of leakage estimation through the minimum flow concept. The proposed methods are applied to several case studies by comparing the results with more traditional techniques and evaluating their potential to improve the accuracy of the calculation. All this aspects have been finally collected in the form of a tool which can assist the managers of these type of infrastructures and researchers in the decision making of these two phases - design and impact assessment - offering a versatile, multi-criteria and adaptable environment to the data available in each case study.