Diseño de la sectorización de la red de distribución de Canal de Isabel II Rubén Miguel Pereña Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos; Responsable de Innovación. Subd. I + D + I. Canal de Isabel II rmiguel@cyii.es Laura Rodríguez Galve AYESA lrodriguez@ayesa.es 1 Introducción En el año 2005 se inició en Canal de Isabel II el desarrollo del Plan de sectorización del consumo de las redes de Abastecimiento. El objeto del Plan es establecer el programa de actuaciones que permita conocer, con el grado de precisión y actualización adecuados, el balance de flujos y consumos en las áreas significativas servidas por el sistema hidráulico de Canal de Isabel II, con el fin de asegurar el cumplimiento generalizado de las condiciones de servicio, en los horizontes actuales y futuros, y vertebrar la red de distribución en una forma que facilite la eficiencia en la operación y la gestión de infraestructuras en general. El ámbito espacial del Plan es la totalidad de la red de abastecimiento gestionada por Canal de Isabel II, la cual tiene el la actualidad una longitud aproximada de 16.500 km de red, de los cuales unos 12.500 km son de redes de distribución y 4.000 de redes de transporte y aducción. El Plan de sectorización se ha dividido en cinco grupos de actividades: Diseño de la sectorización Implantación de la sectorización Mantenimiento de la sectorización Explotación de la información de los sectores Marco de operación de la red sectorizada En esta ponencia se desarrolla la metodología empleada en la etapa de diseño de la sectorización. Para el desarrollo de esta etapa Canal de Isabel II ha contado con el apoyo de Asistencias Técnicas., dividiéndose el trabajo en cuatro fases. La empresa Ayesa ha realizado la cuarta y última fase, en la que ha modelizado 3.200 en detalle km de red. En esta fase se han incorporado una serie de mejoras entre los que se incluyen la sistematización del análisis topológico mediante el empleo de herramientas SIG y mayor detalle en la caracterización del consumo mediante la creación de una herramienta propia. 2 Diseño de la sectorización La red de abastecimiento suministrada por Canal de Isabel II se encuentra dividida en 49 zonas de operación, de las cuales 16 pertenecen al municipio de Madrid. La red se ha clasificado en redes sencillas de pequeños municipios y redes complejas de medianos y grandes municipios.
La tipología habitual de las redes de pequeños municipios es un depósito del que se suministra la mayor parte de la red, y algunas zonas altas y urbanizaciones aisladas que se alimentan directamente de la red de aducción al municipio. Las redes de medianos y grandes municipios tienen una tipología más compleja. Se trata de redes muy malladas con varias entradas directas desde la red de aducción, y con varios depósitos, elementos de regulación y bombeos. El diseño de la sectorización de las redes de pequeños municipios se ha realizado internamente en el Canal de Isabel II, analizando para ello la topología y el funcionamiento de la red y proponiendo los elementos de medida necesarios para el control de los sectores. El diseño de la sectorización de las redes complejas se ha realizado mediante al análisis de la red con modelos hidráulicos de detalle. Para ello se han construido y calibrado modelos de 9.000 km de red de distribución. Dado el gran volumen de trabajo que esto ha supuesto se ha empleado Asistencias Técnicas para desarrollar este trabajo. Esta es una de las principales aportaciones de este proyecto. No es habitual disponer de tantos km de red modelizados en detalle. El análisis con estos modelos se ha considerado un requisito imprescindible para poder estudiar cómo se modifican las condiciones de servicio debido a las maniobras de cierre de válvulas de la sectorización. El diseño de la sectorización realizado se puede dividir en tres fases principales: Recopilación y análisis de la información existente Modelización hidráulica Propuesta de sectorización 2.1 Recopilación y análisis de la información existente 2.1.1 Análisis de la información SIG La información de la red de abastecimiento de Canal de Isabel II se encuentra digitalizada en el Sistema de Información Geográfico corporativo (Gaudy). Con el fin de que los modelos hidráulicos que se han desarrollado fuesen lo más fiables posibles y sencillos de construir, se ha realizado previamente un completo análisis alfanumérico y topológico de la red mediante herramientas SIG. Para ello se ha analizado la compleción de los datos alfanuméricos y su consistencia lógica y topológica. Todos los errores detectados se han corregido en el SIG corporativo. Mediante este tipo de análisis se ha podido determinar la bondad de la información para nodos (nudos de red, válvulas, etc.), arcos (tuberías, etc...) conectividad de los arcos (conectividad de las tuberías y las acometidas), además de comprobar si la base de datos espacial está normalizada y sus datos son coherentes.
Figura 1 Ejemplo de análisis topológico para la detección de superposiciones en tubos Una de las comprobaciones más importantes a la hora de realizar una correcta modelización de la red de distribución es la comprobación de las cotas de los elementos y su validación con un Modelo Digital del Terreno existente. Presentando un resumen de estadísticos y los gráficos correspondientes a la distribución de las diferencias de cota existentes entre el Modelo Digital del Terreno y la información contenida en las capas de los elementos para el campo correspondiente a la elevación, se ha podido valorar y corregir los valores de elevación erróneos de los distintos elementos que constituyen la red. Figura 2 Histograma de diferencias de cotas de elementos y el modelo del terreno 2.1.2 Análisis de incidencias La información de avisos e incidencias en abonados y roturas es gestionada por el Canal de Isabel II mediante el sistema GAYTA, en el que se recogen todas las anomalías y problemas detectados en la red en función de su tipología y localización.
En cada zona estudiada se ha realizado el análisis de estas incidencias, considerando diámetros, materiales, antigüedad y demás características de las conducciones para poder obtener diversos indicadores dentro de los recomendados por la IWA, que proporcionan una valiosa información relativa al funcionamiento actual de la red. El análisis se ha centrado en las Incidencias que responden a pérdidas de agua, problemas de presión, roturas y fugas. Realizando la representación espacial de las Incidencias junto a la red de tuberías se han creado mapas temáticos según tipología de incidencias, y tipología y antigüedad de la red de tuberías. Se obtiene así una visión global de las zonas conflictivas y su posible relación con las características propias de la red (material, antigüedad) y su repercusión en una nueva configuración de presiones y circulación del agua. 2.1.3 Estudio de consumos La información de los consumos individuales contenida en el sistema de información comercial de Canal de Isabel II es necesaria para poder asignar consumos a los nudos de la red de los modelos. A partir de la relación entre el punto de acometida del SIG y del sistema comercial, se dispone de una aproximación a la distribución espacial del consumo de la red. A partir del consumo vinculado a una acometida se asigna el consumo a un nudo de la red del modelo en cada hipótesis. Se ha llevado a cabo también la caracterización del consumo en base a seis tipos de uso y la valoración cuantitativa en función de rangos de consumo. En base a esta información se han establecido también cuáles son los grandes consumidores de cada zona. Figura 3 Informe de consumidores 2.1.4 Información de infraestructuras planificadas Se ha diseñado la sectorización actual de la red y futura en los distintos horizontes de crecimiento urbanísticos. Para ello ese ha analizado la información del planeamiento urbanístico de los municipios y toda la información de infraestructuras nuevas y obras de renovación previstas. Se ha tratado de diseñar una sectorización que sea estable en el tiempo. Cualquier desarrollo urbanístico previsto será o un nuevo sector o quedará englobado en un sector ya diseñado.
2.1.5 Información de caudalímetros y registradores de presión Se ha recopilado y tratado la información de medidas de caudal y presión permanentes telecontroladas de que dispone Canal de Isabel II, las cuales han sido necesarias para poder calibrar los modelos de detalle. 2.2 Modelización hidráulica Durante la fase de diseño de sectorización se han construido los modelos de detalle para el análisis hidráulico de las redes, a partir de la información cartográfica contenida en GAUDY, realizándose un trabajo previo de análisis de consistencia y depuración de la información. Estos modelos se han realizado para redes complejas muy malladas de medianos y grandes municipios que requieren maniobras para el confinamiento del sector. En total se han realizado modelos hidráulicos de las redes de 36 municipios, incluido el municipio de Madrid. El análisis hidráulico se realiza con la aplicación comercial SYNERGEE WATER, creada y distribuida por la empresa Advantica Stoner. Cada modelo es en realidad un conjunto de modelos con los elementos de red, demandas de consumo y condiciones de contorno en distintos escenarios temporales e hipótesis de consumo. La información de las demandas que se reparten en los nudos de consumos se obtiene a partir de los consumos registrados en abonados del Sistema Comercial. Se vinculan las demandas en los nudos a través de las acometidas enganchadas en cada tubo. La información comercial se liga con las acometidas del SIG a través del campo punto de acometida. La información de las condiciones de contorno de presión y caudal se obtienen a partir de la información de la instrumentación fija telecontrolada de Canal de Isabel II. En base a esto se establecen las curvas de modulación, que reflejarán el comportamiento de la demanda durante un día completo y determinará la fluctuación entorno a su valor medio. Figura 4 Imagen del modelo matemático Para realizar la calibración de los modelos, los datos telecontrolados disponibles han sido convenientemente completados con campañas de campo adicionales. Las campañas han consistido en la toma de datos en continuo cada 5 minutos, durante un periodo de tiempo representativo superior a 72 horas, mediante la instalación de manómetros digitales. Los modelos se han dado por calibrados cuando la diferencia entre los valores medidos y calculados ha sido inferior a 2 mca en el 90% de los puntos de medida. Para realizar la calibración se ha partido de unos coeficientes de rugosidad estándar para distintos materiales y antigüedad, que se han modificado de forma global en aquéllos casos en que ha sido necesario para lograr un buen ajuste.
120,00 100,00 Presión (m.c.a) 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 Z05-P1 Z05-P2 Z05-P3 Z05-P4 Z05-P5 Z05-P6 Z05-P7 Z05-P8 Z05-P9 Z05-P10 Z05-P11 CAMPO MODELO MATEMÁTICO Figura 5 Comparación entre valores de presión obtenidos con la modelización y en campo. Presiones Figura 6 Resultados de la modelización 2.3 Sectorización La ultima fase, una vez consolidado el modelo matemático es la de definir la sectorización del sistema. Esta sectorización se diseña mediante un análisis multicriterio en la que se valoran diversos factores como el funcionamiento hidráulico, altimetría, divisiones naturales de la red o tipologías de consumo, o incluso áreas de gestión propias del Canal de Isabel II. Los principales condicionantes para definir los sectores han sido: - Minimizar las alteraciones en las condiciones de servicio, tanto en presiones como en calidad, para lo que se intenta minimizar el número de válvulas a cerrar. - Aprovechar instrumentación fija existente, para reducir el número de equipos nuevos a instalar.
- Minimizar el número de nuevas conducciones y elementos de red nuevos propuestos. - Alterar lo menos posible la explotación de las grandes arterias de transporte. En cada zona de estudio, se ha definido una red de transporte de la que se alimentarán las redes de distribución de los sectores. Para definir los sectores se llevan a cabo simulaciones dinámicas del modelo en las que se verifica que el funcionamiento hidráulico del sistema sectorizado es correcto para distintos caudales de diseño. Para ello se analizan presiones, pérdidas de carga y velocidades. De cada sector se han elaborado fichas y planos en los que se definen: - Alimentaciones del sector. - Cota máxima y mínima. - Presión a la entrada. Presión máxima y mínima en el sector en distintas hipótesis de cálculo. - Válvulas frontera del sector. - Alternativas de suministro. Maniobras a realizar. - Equipos necesarios para el control del sector. - Obras necesarias de tuberías, válvulas de corte, válvulas reguladores de presión, etc. - Testeros provocados por la sectorización Figura 7 Resultados de la modelización con la red sectorizada Para la comprobación de la factibilidad de la sectorización propuesta, es necesario llevar a cabo el cierre de sectores y comprobar que el funcionamiento del sistema sectorizado se corresponde con la modelización efectuada.
Como resultado de la fase de diseño de la red de abastecimiento de Canal de Isabel II, se ha propuesto dividir la red actual en 493 sectores, de los cuales ya están implantados 311. 3 Conclusiones El plan de sectorización de la red Canal de Isabel II es un proyecto ambicioso por la gran longitud de la red que se gestiona y por la compleja configuración y explotación del sistema. Es un proyecto en el que es necesaria la colaboración activa de distintas áreas de la empresa, desde la fase de diseño hasta la fase de operación de la red sectorizada. La sectorización de la red está suponiendo el paso de una red fuertemente mallada a una red compartimentada, lo que supone un cambio profundo en la forma de diseñar y explotar las redes. En la fase de diseño de la sectorización de complejas áreas metropolitanas, se ha realizado un minucioso estudio del funcionamiento actual del sistema y de su desarrollo futuro. Para el estudio del comportamiento hidráulico de los sectores se han creado modelos de detalle de 9.000 km de red, lo que ha supuesto un gran volumen de trabajo durante cuatro años. Estos modelos además de ser una herramienta básica para el diseño de la sectorización, también pueden ser una herramienta que permita analizar los efectos de cualquier alteración que se produzca en la red en la fase de operación de la red sectorizada. La fase de diseño ha proporcionado una depuración de los datos de cartografía de red y ha proporcionado un mayor y más profundo conocimiento del funcionamiento de la red. Se pretende conseguir una explotación más racional que mejore la eficiencia del sistema. El tiempo invertido en la fase de diseño de sectorización de los sectores se está mostrando muy importante para lograr que el proceso de implantación de la sectorización sea viable económica y técnicamente, y que no suponga una disminución en la calidad del servicio que se da a los clientes.