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Optimizar la gestión del drenaje urbano existente

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Los efectos del cambio climático, un desarrollo urbanístico desmesurado e insostenible y el envejecimiento de la infraestructura desafían a los responsables de las políticas hídricas a enfrentar un cambio radical de paradigma en la gestión de los recursos hídricos. Los avances recientes en detección, redes, procesamiento y control han proporcionado los medios para soluciones sostenibles en la gestión del agua y su implementación en infraestructuras de agua, lo que actualmente se conoce como "redes de agua inteligentes".

Las redes de agua inteligentes dependen de los principios del sistema ciber-físico para responder de manera efectiva a los problemas relacionados con la escalabilidad y confiabilidad de entornos dinámicos e inaccesibles. Como tal, los problemas únicos de la red de agua inteligente asociados con el procesamiento de señales, la comunicación, el control y el análisis de datos de front-end deben abordarse conjuntamente, mientras que las técnicas sofisticadas para el análisis de datos deben introducirse en la investigación de sistemas ciber-físicos.

Publicado en iAgua Magazine 36 - Octubre 2021
iAgua Magazine 36

Nuestra misión en Xylem para una gestión sostenible es convertirnos en un innovador pragmático, además de un colaborador, para todas aquellas empresas gestoras de agua gracias a una cartera expansiva de soluciones digitales que permitan abordar sus desafíos más urgentes. En este artículo, queremos dar relevancia a la inconveniencia de los desbordamientos de alcantarillado que son un problema creciente para las ciudades de todo el mundo y en particular en España, donde todos los años se encadenan episodios cada vez más severos debido al cambio climático. Por esa razón, resolver este desafío crítico del agua es más importante que nunca. Hacerlo de manera asequible es aún más difícil.

Nuestra misión en Xylem es convertirnos en un innovador pragmático y colaborador para todas aquellas empresas gestoras de agua

Aunque las redes de drenaje más recientes se han construido de forma separativa (red de pluviales separada de la red de alcantarillado), no se ha podido evitar tener en muchas ciudades sistemas unitarios de drenaje donde se mezclan las aguas residuales con las pluviales. En clima húmedo, los volúmenes adicionales de la escorrentía de lluvia sobrecargan ambos sistemas. Para aliviar la carga, se construyen una serie de aliviaderos en número suficiente dentro del sistema de drenaje que permiten descargar estos volúmenes excedentes. Esta situación provoca vertidos que liberan millones de metros cúbicos de aguas residuales sin tratar a lagos y ríos, provocando contaminación del agua potable, enfermedades, con un fuerte impacto ambiental, material y humano. Por tanto, la gestión del saneamiento es cada vez más una prioridad.

La solución de Xylem utiliza monitorización y control en tiempo real de los caudales dentro del sistema de drenaje durante la tormenta

La solución más tradicional al problema de las descargas incontroladas en sistemas de drenaje unitarios (Combine Sewer Overflow o CSO en inglés) es mejorar la infraestructura de saneamiento existente, separando las aguas residuales domésticas del agua de lluvia. Otras soluciones implican aumentar la capacidad de la planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) o construir grandes tanques de tormenta. Todas estas opciones son extremadamente caras y generalmente tienen un gran impacto en la comunidad, especialmente en áreas muy urbanizadas. Otro enfoque es utilizar la capacidad de almacenamiento existente para almacenar agua temporalmente durante una tormenta. Esta opción se conoce como almacenamiento en línea. El almacenamiento en línea puede ser muy económico, sin embargo, requiere monitorización y un control en tiempo real.

El enfoque "distribuido" alternativo para controlar las descargas en la red de drenaje evita invertir en la construcción de edificios

Los enfoques actuales para la monitorización y el control en tiempo real de los sistemas de drenaje tienen sus desafíos. Los datos de los sensores suelen estar centralizados en un SCADA. Este sistema determina la acción de control y la distribuye a los puntos de control de la red. Todo el proceso lleva tiempo y para ser optimizado normalmente requiere el uso de modelos de simulación complejos, lo que generalmente resulta en sistemas altamente no lineales con una gran cantidad de incertidumbre. Como resultado, los controles de red centralizados tienden a ser complejos, computacionalmente intensivos y fácilmente propensos a errores. Todos estos factores se combinan para limitar la escalabilidad de los enfoques de control centralizado de este tipo.

En Xylem hemos desarrollado un enfoque "distribuido" alternativo para controlar las descargas en la red de drenaje que permite a determinadas entidades en todo el mundo (más de setenta) con quien colaboramos, y que tienen responsabilidades de gestión urbana, evitar invertir en la construcción de edificios. La solución se basa en una red integrada de sensores y actuadores controlados por microprocesador para controlar los eventos de descarga en tiempo real y se ha implementado con éxito desde 2008.

Utilizando un sistema de control distribuido basado en agentes, el sistema reduce los volúmenes de descarga controlando dinámicamente el caudal en la red de colectores, estaciones de bombeo y otra infraestructura.

La solución de Xylem busca aprovechar en tiempo real la capacidad de transporte y almacenamiento existente en el sistema de drenaje

La solución busca aprovechar en tiempo real la capacidad de transporte y almacenamiento existente en el sistema de drenaje, ya que los eventos de tormenta presentan una alta variabilidad temporal y espacial que, en cualquier momento, excede la capacidad hidráulica de algunos activos mientras subutiliza otros. Aprovechando los activos infrautilizados, el sistema puede redirigir el caudal de áreas que están sobrecargadas a áreas con cargas hidráulicas más bajas. Esta solución utiliza monitorización y control en tiempo real de los caudales dentro del sistema de drenaje durante la tormenta.

En lugar de utilizar exclusivamente un enfoque predictivo tradicional que generalmente se basa en el modelado hidráulico y el pronóstico del tiempo, el sistema se basa en gran medida en mediciones en tiempo real de sensores en la red (niveles y caudal en puntos estratégicos).

Las mediciones de los sensores eliminan gran parte de la incertidumbre asociada típicamente con el modelado hidráulico. Al incluir puntos de monitorización en número suficiente aguas arriba de las zonas críticas, el sistema también reduce su dependencia de los pronósticos meteorológicos y la incertidumbre temporal y espacial típicamente asociada.

En el corazón de la estructura del sistema presentado se encuentra una lógica de control basada en “agentes” virtuales, que obedecen las reglas de compra y venta de capacidad (caudal o almacenamiento).

La solución de optimización del drenaje urbano de Xylem ofrece mayor visibilidad del rendimiento y un eficaz uso de los activos

El sistema se puede escalar fácilmente y el enfoque también reduce los requisitos computacionales, ya que las curvas operativas se diseñan fuera de línea mediante la simulación de todos los escenarios posibles antes de la implementación en tiempo real. La estructura del sistema implementado es de naturaleza distribuida, ya que cada agente puede ser programado e implementado en campo a nivel de dispositivo de control. Esto le confiere unas propiedades de robustez que lo hacen muy fiable. Por ejemplo, el error en un agente no impide que otros agentes continúen realizando sus tareas. Debido a que la estructura del sistema requiere actualizaciones constantes sobre el estado hidráulico de los agentes, se requiere una red de sensores capaces de brindar información frecuente sobre los niveles o caudal de cada agente.

En nuestra web damos a conocer varios ejemplos de casos de éxito de la implementación de esta solución.

La solución de optimización del drenaje urbano propuesto por Xylem ofrece una mayor visibilidad del rendimiento y una más eficaz utilización de la capacidad de los activos del sistema de drenaje, lo que permite a la empresa de aguas pueda optimizar los niveles de servicio al tiempo que ahorra en gastos de capital, reduzca el riesgo y pueda proteger el medioambiente.