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¿Cómo pueden los datos ayudar a reducir los riesgos en los sistemas de drenaje urbano?

Un contenido de:Ramón Dolz Mollá

Cuando un sistema de alcantarillado bien mantenido se enfrenta a una intensidad de lluvia extrema, tiene mejores posibilidades de cumplir su función durante más tiempo, en comparación con un sistema que ya está parcial o totalmente lleno de agua parásita cuando comienza el evento. En este último caso, se llega muy rápido a una condición de saturación, con los efectos catastróficos que se observan con una frecuencia creciente y reduciendo drásticamente el tiempo disponible para la respuesta de emergencia.

Los sistemas de saneamiento requieren una cantidad considerable de energía para su bombeo y tratamiento. Es habitual que presenten ineficiencias cuando los volúmenes bombeados incluyen infiltración o aportaciones indebidas (I&A). En operación de rutina, una mala gestión de las redes de saneamiento puede conducir a vertidos o a una insuficiente capacidad de tratamiento, con consecuencias para el medioambiente, la propiedad y la salud pública. Estas infraestructuras son caras de construir o renovar, dados sus grandes diámetros de tubería y mayor profundidad de instalación y, a menudo, implican una gran cantidad de trabajos de mantenimiento y renovación.

Mientras que los sistemas de abastecimiento de agua potable han experimentado una notable adopción de herramientas digitales, particularmente en la respuesta operacional, los sistemas de aguas residuales han mostrado una tasa de incorporación tecnológica más reducida. Paradójicamente, la infraestructura de saneamiento es precisamente el área donde las oportunidades de mejorar la eficiencia, sostenibilidad y gestión de riesgos mediante el análisis de datos son más significativas. Las redes de alcantarillado y las plantas de tratamiento de aguas residuales representan un campo fértil para la implementación de soluciones basadas en datos.

El rendimiento y el retorno de la inversión de tecnología basada en datos que pueda ayudar de forma eficaz a reducir estos problemas en las redes está destinado a ser elevado, dado el bajo coste comparativo de adquisición y la flexibilidad de implementación. Precisamente, hemos sido testigos de ello en Baseform, ya que las empresas gestoras de redes de alcantarillado utilizan cada vez más los datos disponibles y nuestros análisis predictivos para ahorrar recursos, reducir riesgos y trabajar de forma más rápida y proactiva.

El software proporciona a la empresa de aguas un sistema de monitoreo predictivo que cuantifica continuamente las infiltraciones

Los principales resultados que se pueden conseguir con software inteligente en el contexto de sistemas de saneamiento incluyen la reducción y localización de las infiltraciones y caudales de entrada, reduciendo los costes energéticos, de bombeos y de operación y mantenimiento. También se logra una planificación eficiente de la renovación de la red basada en nuestro modelo de predicción y consecuencia de fallos que se concentran en aquellos activos y partes del sistema cuya renovación, según los análisis predictivos, reduce en mayor medida el riesgo de fallos (estructurales u operativos), o aumenta la sostenibilidad del servicio. Además, el software permite detectar reducciones de caudal provocadas por obstrucciones, y elaboración de planes de limpieza, al tiempo que contribuye a la recuperación de la capacidad y la respuesta hidráulica del sistema.

Asimismo, permite la localización y reducción de las infiltraciones y caudales externos, reduciendo los costes energéticos, de bombeos y de O&M. También la planificación más eficiente de la renovación de la red basada en modelos predictivos, y el aumento significativo de la eficiencia de planes de inspección CCTV. Por último, contribuye a la recuperación de capacidad y de respuesta hidráulica del sistema.

Todos estos beneficios conducen a corto y largo plazo a una mejor previsión y gestión del tratamiento, a un aumento de la resiliencia de la red y a reducir los riesgos para el medioambiente y la salud. Y, lo que es más importante, en un contexto de creciente frecuencia de eventos meteorológicos extremos, conducen a mejoras significativas en la capacidad y la respuesta del sistema.

El monitoreo de drenaje se reconcilia automáticamente con el GIS y el consumo facturado, en cada cuenca.
El monitoreo de drenaje se reconcilia automáticamente con el GIS y el consumo facturado, en cada cuenca.

¿Qué datos?

El software de Baseform está diseñado para aprovechar al máximo los datos que ya existen en la empresa. Entre los datos que pueden utilizarse para mejorar los conocimientos predictivos se incluyen: GIS, datos de monitorización de caudal y bombeo, órdenes de trabajo, inspecciones CCTV y datos de facturación de clientes.

Pocos gestores de redes de saneamiento están en posesión de conjuntos de datos completos, pero muchos disponen de algunos datos en alguna, o gran parte, de esas categorías. Una de las mayores ventajas del software Baseform es que dispone de capacidad de aprendizaje automático (machine learning), siendo capaz de generar información incluso con datos parciales o imperfectos, lo que ayuda a las empresas de agua a poner en marcha la digitalización y a definir una hoja de ruta con los datos disponibles.

El procesamiento de datos de Baseform puede dar rápidamente sentido a datos incompletos de GIS y monitoreo, delineando automáticamente cuencas y subcuencas e integrando datos de facturación. El software proporciona a la empresa de aguas un sistema de monitoreo predictivo que cuantifica continuamente los caudales legítimos, la infiltración y las aportaciones indebidas, permitiendo la gestión de la capacidad de sectores y alcantarillas con una estimación de caudales siempre actualizada.

El software se conecta automáticamente a los sistemas de datos, de forma segura y no intrusiva.
El software se conecta automáticamente a los sistemas de datos, de forma segura y no intrusiva.

Este enfoque proactivo utiliza análisis avanzados e IA para procesar grandes volúmenes de datos en tiempo real, permitiendo la detección temprana de problemas potenciales.

¿Con qué fin?

Nuestro software predictivo proporciona beneficios cuantificables, facilitando a las entidades gestoras del agua la consecución de sus objetivos operativos y estratégicos con un retorno de inversión significativo. La magnitud de este valor añadido puede ser estimada de forma directa en las siguientes categorías de decisiones críticas para la gestión:

Priorización de las inspecciones CCTV

La capacidad de utilizar las inspecciones de CCTV actuales, junto con el GIS y los datos contextuales para predecir el estado estructural u operativo de todo el sistema, permite dirigir las próximas inspecciones a los activos más críticos en cada momento, con lo que se gana en rapidez, costes y eficacia, y se avanza en la planificación de las renovaciones.

Nuestros clientes nos han demostrado que, guiados por las predicciones de Baseform y los resultados de inspecciones anteriores, los programas de CCTV pueden ser de tres a cinco veces más eficientes a la hora de encontrar activos propensos a fallos. Esto significa encontrar un número mayor de activos críticos con el mismo esfuerzo de inspección o, a la inversa, encontrar el mismo número de activos críticos que antes con una fracción del coste.

Previsión de condición para toda la red a partir de inspecciones CCTV.
Previsión de condición para toda la red a partir de inspecciones CCTV.

Por ejemplo, en una empresa de agua que utiliza Baseform y que gestiona un presupuesto de inspección CCTV anual de unos 1,8 M€, Baseform ha permitido ahorrar cerca de 1,2 M€ al año, manteniendo la capacidad de encontrar el número objetivo de activos críticos que debe abordar su programa de mantenimiento y renovación.

Esta empresa promueve un programa de inspecciones por CCTV de los colectores y pozos de registro como parte de su esfuerzo para gestionar las I&A y los desbordamientos, recuperar la capacidad del sistema y priorizar la renovación de la red. El módulo de análisis de inspecciones de Baseform correlaciona las inspecciones de CCTV con los datos del GIS y otros datos contextuales para predecir el estado de los colectores y arquetas no inspeccionadas, o inspeccionadas en una fecha anterior. En particular, proporciona una lista continua de activos priorizados para la inspección o para la acción en un momento determinado, y un marco para la planificación y optimización de las inspecciones de CCTV.

La empresa ha logrado una reducción del 60% en el coste anual de CCTV sin perder eficacia en la búsqueda de activos que necesitan una actuación («críticos»), dirigiendo y planificando cada nuevo lote de inspecciones de acuerdo con las capacidades predictivas del software. Utiliza las categorías PACP 4 y 5 como «críticas», es decir, que activan los protocolos de actuación diferida o inmediata, respectivamente. El software funciona con cualquier sistema de clasificación de defectos.  

Nuestro software predictivo proporciona beneficios cuantificables, facilitando a las entidades gestoras del agua la consecución de sus objetivos

Anteriormente, la tasa media de éxito en la localización de colectores críticos fue cercana al 6%, trabajando con un presupuesto anual de casi 2 millones de dólares para mantenerse dentro del objetivo estratégico definido para la localización de activos críticos y el control de las I&A y el deterioro del sistema. La capacidad de predicción de Baseform aumentó esa tasa de éxito al 34%: es decir, uno de cada tres colectores inspeccionados es un cuatro o un cinco.

Baseform detecta eventos de caudal y calcula continuamente métricas detalladas de infiltraciones y aportaciones de agua externa para todo el sistema

Esto permitió a la empresa: (i) cumplir su objetivo de inspección por CCTV con una reducción de costes del 60%, equivalente a un ahorro de más de 1,2 millones de dólares al año; (ii) obtener curvas de deterioro específicas basadas en datos propios, con una fiabilidad mucho mayor para la planificación de O&M y de la renovación; (iii) revisar el plan de gestión de activos para reflejar las curvas de deterioro más recientes y las estimaciones de la vida útil esperada del sistema.

La predicción de las inspecciones se combina, además, con la predicción de fallos de Baseform para abordar los desbordamientos, y la supervisión de caudales y la detección de eventos del software para cuantificar las infiltraciones y localizar los puntos conflictivos.

Reducción de infiltraciones y aportaciones a la red

Conectándose a todos los sensores de monitorización de caudal de la empresa y al GIS, así como a la telelectura de las estaciones de bombeo a través del SCADA u otro sistema, Baseform detecta eventos de caudal y calcula continuamente métricas detalladas de infiltraciones y aportaciones de agua externa para todo el sistema y para cada una de sus zonas monitorizadas, cotejando los resultados con la facturación del agua y el bombeo.

Estas funcionalidades permiten generar automáticamente indicadores como, por ejemplo, el caudal de infiltración por unidad de longitud de la red de alcantarillado o por unidad de superficie de cuenca. A partir de ahí, las empresas de agua se focalizan en las cuencas más críticas con actividades adicionales de vigilancia y CCTV combinadas con la renovación de activos.

Detección automática de eventos de caudal: infiltraciones y aportaciones de agua externa.
Detección automática de eventos de caudal: infiltraciones y aportaciones de agua externa.

Los resultados incluyen el caudal de infiltración en tiempo seco y las curvas de rendimiento de la aportación por lluvia para cada cuenca, actualizadas continuamente en función de las precipitaciones. Esto permite predecir en tiempo real su respuesta a las tormentas, con beneficios directos para la gestión de la EDAR y su planificación a largo plazo.

La capacidad única de incorporar y conciliar los datos de facturación y telelectura por cuenca permite la validación cruzada de la carga sanitaria y una mejor calibración de los otros componentes del caudal. Los indicadores por longitud de alcantarillado, por superficie de la cuenca, per cápita o como porcentaje del total permiten a la empresa priorizar los puntos conflictivos en función de los datos, cuantificar el problema y evaluar las mejoras que se producen.

En otras palabras, esto permite generar un conocimiento predictivo clave sobre cómo cada subcuenca recoge el flujo de agua parásita, permitiendo la proactividad en el control de los desbordamientos y en la gestión del tratamiento y la focalización en las áreas problemáticas, localizando y abordando las fuentes de infiltraciones y alimentando el proceso de priorización en la planificación de infraestructuras en combinación con los datos procedentes de inspecciones y de averías (procedentes de las órdenes de trabajo).

Utilizando los datos disponibles, el software tiene un rápido retorno de la inversión en la reducción de costes energéticos y de tratamiento

En el mismo caso mencionado antes, la empresa utiliza el indicador de I&A/longitud para localizar los puntos conflictivos; en las cuencas seleccionadas, se instalan mecanismos de control adicional y se priorizan los proyectos de inspección/rehabilitación a corto plazo. El software se utiliza para establecer los indicadores I&A de partida y para controlar el efecto de las acciones en su reducción. Una única fuente de infiltración descubierta era la única responsable de 1.200 m3/día de caudal adicional.

Con el coste de tratamiento actual, las infiltraciones de agua representan aproximadamente 13 M€ anuales de ineficiencia. Teniendo en cuenta la experiencia reciente de la empresa en la detección de infiltraciones con ayuda del software, cabe esperar que, con el mismo enfoque dirigido, la monitorización rigurosa y automatizada y la priorización de múltiples criterios que permite Baseform, una estimación conservadora de una reducción del 7% anual representa un ahorro del orden de un millón de euros.

Recuperación de capacidad y resiliencia

El área gestionada por la empresa de agua tiene una elevada tendencia al crecimiento. Así, se prevé que la población de 2020 (un millón de habitantes) crezca un 20% hasta 2030 y un 40% en 2040. Esto se traduce en un crecimiento anual previsto del 2% del caudal de agua residual, lo que afecta no solamente a la capacidad de la red de saneamiento, sino también y de manera crucial, a la capacidad de las estaciones de bombeo y de las EDAR, las cuales ya rozan su límite.

El procesamiento de datos de Baseform puede dar rápidamente sentido a datos incompletos de GIS y monitoreo

La recuperación de capacidad mediante la eliminación de infiltraciones y entradas parásitas de agua tiene un impacto económico directo en el aplazamiento de la ampliación del sistema. Como punto de comparación, un aumento anual del 2% de la capacidad del sistema mediante la sustitución de las tuberías actuales representa una inversión de al menos 25 M€ al año.

Priorización de la planificación

La implementación de Baseform ha evidenciado una aportación cuantificable en la capacidad de priorizar procesos decisionales, abarcando tanto la gestión operativa a corto plazo y las intervenciones de mantenimiento, como la formulación de estrategias a medio y largo plazo. 

Nuestro software se utiliza para explorar y optimizar estrategias de renovación, por ejemplo, a uno, dos, cinco y diez años. En el caso mencionado, los análisis predictivos del software demuestran que el plan de gestión de activos preexistente de 138 M€ a veinte años aún permitiría un deterioro del 42% en el estado estructural. Sin embargo, al dirigir ese mismo plan de inversión a partir de los resultados optimizados del software, sería posible reducir el deterioro hasta un 10%. Un gasto adicional de 30 M€ eliminaría efectivamente esa cifra.

Priorización de intervenciones comparando (izq.) caudal sanitario previsto (der.) caudal de infiltración previsto, por cuenca/año.
Priorización de intervenciones comparando (izq.) caudal sanitario previsto (der.) caudal de infiltración previsto, por cuenca/año.

Puntos clave

La gestión de los sistemas de alcantarillado puede mejorar su rendimiento aprovechando los datos existentes para impulsar y priorizar el mantenimiento preventivo, así como la renovación del sistema. Los principales resultados incluyen: la localización y reducción de las infiltraciones y caudales externos, reduciendo los costes energéticos, de bombeos y de operación y mantenimiento; la planificación más eficiente de la renovación de la red basada en modelos predictivos; el aumento significativo de la eficiencia de planes de inspección CCTV y la recuperación de capacidad y de respuesta hidráulica del sistema.

Las capacidades actuales de procesamiento de datos, asistidas por el aprendizaje automático, permiten un uso mejor y más rápido de los datos existentes. Datos comunes como GIS, órdenes de trabajo, facturación, inspecciones de CCTV y (cuando disponibles) monitoreo de caudales de alcantarillado, demuestran a diario en múltiples instancias de aplicación que contienen valor predictivo que conduce a un retorno de la inversión de múltiples órdenes de magnitud superior a los costes con la implementación. El paso clave es empezar con lo que está disponible y no esperar a tener datos perfectos mientras los sistemas funcionan inadecuadamente o corren riesgos indeseables.