Red de suministro de agua

Una red de suministro de agua potable o un sistema de abastecimiento de agua es un sistema de componentes hidrológicos e hidráulicos diseñados que proporcionan suministro de agua. Un sistema de suministro de agua generalmente incluye lo siguiente:

1. Una cuenca de drenaje (ver purificación de agua – fuentes de agua potable)
2. Un punto de recolección de agua cruda (sobre o bajo tierra) donde se acumula el agua, como un lago, un río o agua subterránea de un acuífero subterráneo. El agua sin tratar se puede transferir mediante acueductos descubiertos a nivel del suelo, túneles cubiertos o tuberías de agua subterráneas a las instalaciones de purificación de agua.
3. Instalaciones de purificación de agua. El agua tratada se transfiere mediante tuberías de agua (generalmente subterráneas).
4. Instalaciones de almacenamiento de agua como depósitos, tanques de agua o torres de agua. Los sistemas de agua más pequeños pueden almacenar el agua en cisternas o recipientes a presión. Los edificios altos también pueden necesitar almacenar agua localmente en recipientes a presión para que el agua llegue a los pisos superiores.
5. Es posible que sea necesario colocar componentes adicionales de presurización de agua, como estaciones de bombeo, en la salida de depósitos o cisternas subterráneos o superficiales (si el flujo por gravedad no es práctico).
6. Una red de tuberías para la distribución de agua a los consumidores (que pueden ser casas particulares o establecimientos industriales, comerciales o institucionales) y otros puntos de uso (como bocas de incendio)
7. Las conexiones a las alcantarillas (tuberías subterráneas o zanjas sobre el suelo en algunos países en desarrollo) generalmente se encuentran aguas abajo de los consumidores de agua, pero el sistema de alcantarillado se considera un sistema separado, en lugar de parte del sistema de suministro de agua.

Las redes de suministro de agua a menudo están a cargo de los servicios públicos de la industria del agua.

Captación de agua y transferencia de agua cruda

El agua cruda (sin tratar) proviene de una fuente de agua superficial (como una entrada en un lago o un río) o de una fuente de agua subterránea (como un pozo de agua que se extrae de un acuífero subterráneo) dentro de la cuenca que proporciona el recurso hídrico.

El agua bruta se traslada a las instalaciones de depuración de agua mediante acueductos descubiertos, túneles cubiertos o conducciones de agua subterráneas.

Tratamiento de aguas

Prácticamente todos los grandes sistemas deben tratar el agua; un hecho que está estrictamente regulado por agencias globales, estatales y federales, como la Organización Mundial de la Salud (OMS) o la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA). El tratamiento del agua debe ocurrir antes de que el producto llegue al consumidor y después (cuando se descarga nuevamente). La purificación del agua generalmente ocurre cerca de los puntos de entrega finales para reducir los costos de bombeo y las posibilidades de que el agua se contamine después del tratamiento.

Las plantas de tratamiento de aguas superficiales tradicionales generalmente consisten en tres pasos: clarificación, filtración y desinfección. La clarificación se refiere a la separación de partículas (suciedad, materia orgánica, etc.) de la corriente de agua. La adición de productos químicos (es decir, alumbre, cloruro férrico) desestabiliza las cargas de partículas y las prepara para la clarificación ya sea por sedimentación o por flotación fuera de la corriente de agua. Los filtros de arena, antracita o carbón activado refinan el flujo de agua, eliminando las partículas más pequeñas. Si bien existen otros métodos de desinfección, el método preferido es mediante la adición de cloro. El cloro mata eficazmente las bacterias y la mayoría de los virus y mantiene un residuo para proteger el suministro de agua a través de la red de suministro.

Red de distribución de agua

El producto, entregado en el punto de consumo, se denomina agua potable si cumple con los estándares de calidad del agua requeridos para el consumo humano.

El agua en la red de suministro se mantiene a presión positiva para garantizar que el agua llegue a todas las partes de la red, que haya un flujo suficiente disponible en cada punto de toma y para garantizar que el agua no tratada en el suelo no pueda ingresar a la red. El agua normalmente se presuriza bombeándola a tanques de almacenamiento construidos en el punto local más alto de la red. Una red puede tener varios depósitos de servicios de este tipo.

En sistemas domésticos pequeños, el agua puede ser presurizada por un recipiente a presión o incluso por una cisterna subterránea (este último, sin embargo, necesita presurización adicional). Esto elimina la necesidad de una torre de agua o cualquier otra reserva de agua elevada para suministrar la presión del agua.

Estos sistemas generalmente son propiedad de los gobiernos locales, como ciudades u otras entidades públicas, y los mantienen, pero ocasionalmente son operados por una empresa comercial (ver privatización del agua). Las redes de abastecimiento de agua son parte de la planificación maestra de las comunidades, condados y municipios. Su planificación y diseño requiere la experiencia de urbanistas e ingenieros civiles, quienes deben considerar muchos factores, como la ubicación, la demanda actual, el crecimiento futuro, las fugas, la presión, el tamaño de la tubería, la pérdida de presión, los flujos de extinción de incendios, etc.—utilizando una red de tuberías análisis y otras herramientas.

A medida que el agua pasa por el sistema de distribución, la calidad del agua puede degradarse por reacciones químicas y procesos biológicos. La corrosión de los materiales metálicos de las tuberías en el sistema de distribución puede provocar la liberación de metales en el agua con efectos estéticos y de salud no deseados. La liberación de hierro de las tuberías de hierro sin revestimiento puede generar informes de clientes de "agua roja" en el grifo. La liberación de cobre de las tuberías de cobre puede generar informes de clientes de "agua azul" y/o un sabor metálico. La liberación de plomo puede ocurrir a partir de la soldadura utilizada para unir tuberías de cobre o de accesorios de latón. Los niveles de cobre y plomo en el grifo del consumidor están regulados para proteger la salud del consumidor.

Los servicios públicos a menudo ajustarán la química del agua antes de la distribución para minimizar su corrosividad. El ajuste más simple involucra el control del pH y la alcalinidad para producir un agua que tiende a pasivar la corrosión al depositar una capa de carbonato de calcio. A menudo se agregan inhibidores de corrosión para reducir la liberación de metales en el agua. Los inhibidores de corrosión comunes que se agregan al agua son fosfatos y silicatos.

El mantenimiento de un agua potable biológicamente segura es otro objetivo en la distribución de agua. Por lo general, se agrega al agua un desinfectante a base de cloro, como hipoclorito de sodio o monocloramina, cuando sale de la planta de tratamiento. Se pueden colocar estaciones de refuerzo dentro del sistema de distribución para garantizar que todas las áreas del sistema de distribución tengan niveles sostenidos adecuados de desinfección.

Topologías

Al igual que las líneas de energía eléctrica, las carreteras y las redes de radio de microondas, los sistemas de agua pueden tener una topología de red en bucle o ramal, o una combinación de ambas. Las redes de tuberías son circulares o rectangulares. Si alguna sección de la tubería principal de distribución de agua falla o necesita reparación, esa sección se puede aislar sin interrumpir a todos los usuarios de la red.

La mayoría de los sistemas están divididos en zonas. Los factores que determinan la extensión o el tamaño de una zona pueden incluir la hidráulica, los sistemas de telemetría, la historia y la densidad de población. A veces, los sistemas se diseñan para un área específica y luego se modifican para adaptarse al desarrollo. El terreno afecta la hidráulica y algunas formas de telemetría. Si bien cada zona puede operar como un sistema independiente, generalmente existe algún arreglo para interconectar las zonas a fin de administrar las fallas del equipo o del sistema.

Mantenimiento de red de agua

Las redes de suministro de agua suelen representar la mayoría de los activos de una empresa de agua. La documentación sistemática de los trabajos de mantenimiento utilizando un sistema de gestión de mantenimiento computarizado (CMMS) es clave para una operación exitosa de una empresa de agua.

Abastecimiento de agua urbano sostenible

Una red urbana sostenible de abastecimiento de agua cubre todas las actividades relacionadas con el suministro de agua potable. El desarrollo sostenible es cada vez más importante para el abastecimiento de agua en las zonas urbanas. La incorporación de tecnologías de agua innovadoras en los sistemas de suministro de agua mejora el suministro de agua desde perspectivas sostenibles. El desarrollo de tecnologías innovadoras del agua dota de flexibilidad al sistema de abastecimiento de agua, generando un medio fundamental y eficaz de sostenibilidad basado en un enfoque integrado de opciones reales.

El agua es un recurso natural esencial para la existencia humana. Es necesario en todos los procesos industriales y naturales, por ejemplo, se utiliza para la refinación de petróleo, para la extracción líquido-líquido en procesos hidrometalúrgicos, para enfriamiento, para depuración en la industria siderúrgica y para varias operaciones en alimentos. instalaciones de procesamiento.

Es necesario adoptar un nuevo enfoque para diseñar redes urbanas de abastecimiento de agua; se prevé escasez de agua en las próximas décadas y las normas ambientales para el uso del agua y la eliminación de aguas residuales son cada vez más estrictas.

Para lograr una red de abastecimiento de agua sostenible, es necesario desarrollar nuevas fuentes de agua y reducir la contaminación ambiental.

El precio del agua está aumentando, por lo que se debe desperdiciar menos agua y se deben tomar medidas para evitar fugas en las tuberías. Cerrar el servicio de suministro para reparar fugas es cada vez menos tolerado por los consumidores. Una red de suministro de agua sostenible debe controlar la tasa de consumo de agua dulce y la tasa de generación de aguas residuales.

Muchas de las redes de suministro de agua urbanas en los países en desarrollo enfrentan problemas relacionados con el aumento de la población, la escasez de agua y la contaminación ambiental.

Crecimiento de la población

En 1900, solo el 13% de la población mundial vivía en ciudades. Para 2005, el 49% de la población mundial vivía en áreas urbanas. En 2030 se prevé que esta estadística suba al 60%. Los intentos de expandir el suministro de agua por parte de los gobiernos son costosos y, a menudo, no son suficientes. La construcción de nuevos asentamientos ilegales dificulta mapear y hacer conexiones al suministro de agua y conduce a una gestión inadecuada del agua. En 2002, había 158 millones de personas con suministro de agua inadecuado. Un número cada vez mayor de personas vive en barrios marginales, en condiciones sanitarias inadecuadas y, por lo tanto, corren el riesgo de contraer enfermedades.

Escasez de agua

El agua potable no está bien distribuida en el mundo. 1,8 millones de muertes se atribuyen al suministro de agua insalubre cada año, según la OMS. Muchas personas no tienen acceso o no tienen acceso a calidad y cantidad de agua potable, aunque el agua en sí es abundante. Las personas pobres en los países en desarrollo pueden estar cerca de los principales ríos, o estar en áreas de alta precipitación, y aún así no tener acceso a agua potable en absoluto. También hay personas que viven donde la falta de agua genera millones de muertes cada año.

Donde el sistema de suministro de agua no puede llegar a los barrios marginales, la gente logra usar bombas manuales para llegar a los pozos, ríos, canales, pantanos y cualquier otra fuente de agua. En la mayoría de los casos la calidad del agua no es apta para el consumo humano. La causa principal de la escasez de agua es el crecimiento de la demanda. El agua se toma de áreas remotas para satisfacer las necesidades de las áreas urbanas. Otra razón de la escasez de agua es el cambio climático: los patrones de precipitación han cambiado; los ríos han disminuido su caudal; los lagos se están secando; y los acuíferos se están vaciando.

Asuntos gubernamentales

En los países en desarrollo, muchos gobiernos son corruptos y pobres y responden a estos problemas con políticas que cambian con frecuencia y acuerdos poco claros. La demanda de agua supera la oferta, y los suministros de agua domésticos e industriales se priorizan sobre otros usos, lo que genera estrés hídrico. El agua potable tiene precio en el mercado; el agua a menudo se convierte en un negocio para empresas privadas, que obtienen ganancias poniendo un precio más alto al agua, lo que impone una barrera para las personas de bajos ingresos. Los Objetivos de Desarrollo del Milenio proponen los cambios necesarios.

El objetivo 6 de los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas es "Garantizar la disponibilidad y la gestión sostenible del agua y el saneamiento para todos". Esto es en reconocimiento del derecho humano al agua y al saneamiento, que fue reconocido formalmente en la Asamblea General de las Naciones Unidas en 2010, que "el agua potable limpia y el saneamiento son esenciales para el reconocimiento de todos los derechos humanos". El suministro sostenible de agua incluye garantizar la disponibilidad, accesibilidad, asequibilidad y calidad del agua para todas las personas.

En las economías avanzadas, los problemas radican en optimizar las redes de suministro existentes. Estas economías por lo general han tenido una evolución continua, lo que les permitió construir infraestructura para abastecer de agua a las personas. La Unión Europea ha desarrollado un conjunto de reglas y políticas para superar los problemas futuros esperados.

Hay muchos documentos internacionales con ideas interesantes, pero no muy específicas, y por lo tanto no se ponen en práctica. Las Naciones Unidas han hecho recomendaciones, como la Declaración de Dublín sobre el agua y el desarrollo sostenible.

Optimización de la red de abastecimiento de agua

El rendimiento de un sistema puede medirse por su valor o por su beneficio neto. Para un sistema de abastecimiento de agua, el valor real o el beneficio neto es un servicio de abastecimiento de agua confiable que tenga una cantidad adecuada y una buena calidad del producto. Por ejemplo, si se necesita ampliar el suministro de agua existente de una ciudad para abastecer a un nuevo municipio, el impacto de la nueva rama del sistema debe diseñarse para abastecer las nuevas necesidades, manteniendo el suministro al antiguo sistema.

Optimización de un solo objetivo

El diseño de un sistema se rige por múltiples criterios, uno de los cuales es el costo. Si el beneficio es fijo, el diseño de menor costo da como resultado el máximo beneficio. Sin embargo, el enfoque de menor costo normalmente da como resultado una capacidad mínima para una red de suministro de agua. Un modelo de costo mínimo generalmente busca la solución de menor costo (en tamaños de tubería), mientras satisface las restricciones hidráulicas tales como: presiones de salida requeridas, caudal máximo de tubería y velocidades de flujo de tubería. El costo es una función de los diámetros de las tuberías; por lo tanto, el problema de optimización consiste en encontrar una solución de costo mínimo mediante la optimización del tamaño de las tuberías para proporcionar la capacidad mínima aceptable.

Optimización multiobjetivo

Sin embargo, según los autores del artículo titulado “Método para optimizar el diseño y la rehabilitación de los sistemas de distribución de agua”, “la capacidad mínima no es una solución deseable para una red de suministro de agua sostenible a largo plazo, debido a la incertidumbre de la demanda futura”. Es preferible proporcionar capacidad de tubería adicional para hacer frente a un crecimiento inesperado de la demanda y cortes de agua. El problema cambia de un problema de optimización de un solo objetivo (minimización de costos) a un problema de optimización de múltiples objetivos (minimización de costos y maximización de la capacidad de flujo).

Método de suma ponderada

Para resolver un problema de optimización de objetivos múltiples, es necesario convertir el problema en un problema de optimización de un solo objetivo, mediante el uso de ajustes, como una suma ponderada de objetivos o un método de restricción ε. El enfoque de suma ponderada otorga un cierto peso a los diferentes objetivos y luego tiene en cuenta todos estos pesos para formar una única función objetivo que puede resolverse mediante la optimización de un solo factor. Este método no es del todo satisfactorio, porque los pesos no se pueden elegir correctamente, por lo que este enfoque no puede encontrar la solución óptima para todos los objetivos originales.

El método de restricción

El segundo enfoque (el método de restricción), elige una de las funciones objetivo como único objetivo, y las otras funciones objetivo se tratan como restricciones con un valor limitado. Sin embargo, la solución óptima depende de los límites de restricción predefinidos.

Análisis de sensibilidad

Los problemas de optimización de objetivos múltiples implican calcular la compensación entre los costos y los beneficios, lo que da como resultado un conjunto de soluciones que se pueden usar para el análisis de sensibilidad y probarse en diferentes escenarios. Pero no existe una única solución óptima que satisfaga la optimización global de ambos objetivos. Como ambos objetivos son hasta cierto punto contradictorios, no es posible mejorar un objetivo sin sacrificar el otro. Es necesario en algunos casos utilizar un enfoque diferente. (por ejemplo, análisis de Pareto), y elija la mejor combinación.

Restricciones operativas

Volviendo a la función objetivo de costos, no puede violar ninguna de las restricciones operativas. Generalmente, este costo está dominado por el costo de la energía para el bombeo. “Las restricciones operativas incluyen los estándares de servicio al cliente, tales como: la presión mínima suministrada, además de las restricciones físicas, como los niveles máximo y mínimo de agua en los tanques de almacenamiento para evitar el desbordamiento y el vaciado, respectivamente”.

Para optimizar el rendimiento operativo de la red de abastecimiento de agua, al mismo tiempo que se minimizan los costes energéticos, es necesario predecir las consecuencias de los diferentes ajustes de bombas y válvulas sobre el comportamiento de la red.

Además de la programación lineal y no lineal, existen otros métodos y enfoques para diseñar, administrar y operar una red de suministro de agua para lograr la sostenibilidad, por ejemplo, la adopción de tecnología apropiada junto con estrategias efectivas de operación y mantenimiento. Estas estrategias deben incluir modelos de gestión efectivos, apoyo técnico a los propietarios e industrias, mecanismos de financiamiento sostenible y desarrollo de cadenas de suministro confiables. Todas estas medidas deben garantizar lo siguiente: vida útil del sistema; ciclo de mantenimiento; continuidad del funcionamiento; tiempo de inactividad para reparaciones; producción de agua y calidad del agua.

Desarrollo sostenible

En un sistema insostenible hay un mantenimiento insuficiente de las redes de agua, especialmente en las principales tuberías de las zonas urbanas. El sistema se deteriora y luego necesita rehabilitación o renovación.

Los hogares y las plantas de tratamiento de aguas residuales pueden hacer que las redes de suministro de agua sean más eficientes y sostenibles. Se obtienen importantes mejoras en la ecoeficiencia mediante la separación sistemática de las aguas pluviales y las aguas residuales. La tecnología de membrana se puede utilizar para reciclar aguas residuales.

El gobierno municipal puede desarrollar un “Sistema de Reutilización de Agua Municipal” que es un enfoque actual para gestionar el agua de lluvia. Aplica un esquema de reúso de agua para aguas residuales tratadas, a escala municipal, para proporcionar agua no potable para usos industriales, domésticos y municipales. Esta tecnología consiste en separar la fracción de orina de las aguas residuales sanitarias y recolectarla para reciclar sus nutrientes. La fracción de heces y aguas grises es recolectada, junto con los desechos orgánicos de las viviendas, mediante un sistema de alcantarillado por gravedad, continuamente vaciado con agua no potable. El agua se trata anaeróbicamente y el biogás se utiliza para la producción de energía.

El sistema de suministro de agua sostenible es un sistema integrado que incluye la toma de agua, la utilización del agua, la descarga y el tratamiento de aguas residuales y la protección del medio ambiente del agua. Requiere reducir el uso de agua dulce y subterránea en todos los sectores de consumo. El desarrollo de sistemas sostenibles de abastecimiento de agua es una tendencia creciente, porque sirve a los intereses a largo plazo de las personas. Existen varias formas de reutilizar y reciclar el agua, con el fin de lograr la sostenibilidad a largo plazo, tales como:

• Reutilización y tratamiento de aguas grises: las aguas grises son aguas residuales provenientes de baños, duchas, fregaderos y lavabos. Si esta agua es tratada puede ser utilizada como fuente de agua para usos distintos al potable. Según el tipo de agua gris y su nivel de tratamiento, se puede reutilizar para riego y descarga de inodoros. Según una investigación sobre los impactos de la reutilización de aguas grises domésticas en la salud pública, realizada por el Centro de Salud de Nueva Gales del Sur en Australia en el año 2000, las aguas grises contienen menos nitrógeno y organismos patógenos fecales que las aguas residuales, y el contenido orgánico de las aguas grises el agua se descompone más rápidamente.
• Los sistemas de tratamiento ecológico utilizan poca energía: hay muchas aplicaciones en la reutilización de aguas grises, como cañaverales, sistemas de tratamiento de suelos y filtros de plantas. Este proceso es ideal para la reutilización de aguas grises, debido a su fácil mantenimiento y mayores tasas de eliminación de materia orgánica, amoníaco, nitrógeno y fósforo.

Otros enfoques posibles para los modelos de alcance para el suministro de agua, aplicables a cualquier área urbana, incluyen los siguientes:

• Sistema de drenaje sostenible
• extracción de pozos
• Flujo de agua subterránea entre grupos
• Extracción de canales y ríos
• Almacenamiento de acuíferos
• Un uso del agua interior más fácil de usar

La Declaración de Dublín sobre el Agua y el Desarrollo Sostenible es un buen ejemplo de la nueva tendencia para superar los problemas de suministro de agua. Esta declaración, sugerida por las economías avanzadas, ha presentado algunos principios que son de gran importancia para el suministro de agua urbana. Estos son:

1. El agua dulce es un recurso finito y vulnerable, esencial para sostener la vida, el desarrollo y el medio ambiente.
2. El desarrollo y la gestión del agua deben basarse en un enfoque participativo, en el que participen usuarios, planificadores y responsables de la formulación de políticas a todos los niveles.
3. Las mujeres desempeñan un papel central en el suministro, la gestión y la salvaguardia del agua. Los arreglos institucionales deben reflejar el papel de la mujer en el suministro y la protección del agua.
4. El agua tiene un valor económico en todos sus usos competitivos y debe ser reconocida como un bien económico.

A partir de estas declaraciones, desarrolladas en 1992, se han creado varias políticas para dar importancia al agua y encaminar la gestión de los sistemas de agua urbana hacia el desarrollo sostenible. La Directiva Marco del Agua de la Comisión Europea es un buen ejemplo de lo que allí se ha creado a partir de políticas anteriores.

Enfoques futuros

Existe una gran necesidad de sistemas de suministro de agua más sostenibles. Para lograr la sostenibilidad, se deben abordar varios factores al mismo tiempo: el cambio climático, el aumento del costo de la energía y el aumento de la población. Todos estos factores provocan cambios y ejercen presión sobre la gestión de los recursos hídricos disponibles.

Un obstáculo para la transformación de los sistemas convencionales de suministro de agua es la cantidad de tiempo necesario para lograr la transformación. Más específicamente, la transformación debe ser implementada por los órganos legislativos municipales, que también siempre necesitan soluciones a corto plazo. Otro obstáculo para lograr la sostenibilidad en los sistemas de abastecimiento de agua es la experiencia práctica insuficiente con las tecnologías requeridas y la falta de conocimientos sobre la organización y el proceso de transición.

Las posibles formas de mejorar esta situación son la simulación de la red, la implementación de proyectos piloto, el aprendizaje de los costos involucrados y los beneficios logrados.