Aplicación de los Sistemas de Información Geográfica a la gestión técnica de redes de distribución

344 Pages·2014·4.73 MB·Spanish

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA
HIDRÁULICA Y MEDIO AMBIENTE
Aplicación de los Sistemas de Información
Geográfica a la gestión técnica de redes de
distribución de agua potable
TESIS DOCTORAL
PRESENTADA POR:
D. Francisco Javier Martínez Solano
DIRIGIDA POR:
Dr. D. Rafael Pérez García
Valencia, Julio de 2002
AGRADECIMIENTOS
Durante la realización de esta Tesis han sido muchas las personas que me han
ayudado. Sirva esta nota de agradecimiento a todas ellas.
En primer lugar deseo agradecer a mi esposa Isabel su apoyo incondicional
durante todo este tiempo. Su paciencia y sus continuas lecturas me han servido
para depurar la redacción de todos y cada uno de los capítulos. Sin duda se ha
visto afectada por todos los inconvenientes que se derivan de este trabajo sin
recibir ninguno de los beneficios.
A continuación, debo agradecer a mi director de Tesis, el Dr. D. Rafael Pérez
García sus comentarios, sugerencias y correcciones, sin las cuales no habría sido
posible llegar a completar el trabajo realizado.
No puedo dejar de mencionar a todas y cada una de las personas que han
pertenecido o pertenecen aún al Grupo Mecánica de Fluidos. De manera muy
especial quiero dejar constancia de mi agradecimiento a Laura Gascón, Alicia
Pitarque, Roberto Escolano y Pedro Iglesias. Su ayuda en algunas fases de la
elaboración de la Tesis ha sido determinante. De igual modo, en las tareas de
programación he recibido el apoyo de José Vicente Ribelles y de mi hermano, P.
Daniel. En alguna ocasión, ellos han sido los que me han sacado de dudas.
Por último, y no por ello menos importante, debo agradecer a mi familia y en
especial a mi padre su continuo apoyo a lo largo de los ocho años transcurridos
desde que inicié los estudios de Doctorado en el Departamento de Ingeniería
Hidráulica y Medio Ambiente.
A todos ellos, y a los que me haya podido olvidar, muchas gracias.
TESIS DOCTORAL
APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA A LA
GESTIÓN TÉCNICA DE REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE
Presentada por:
D. Francisco Javier Martínez Solano
Dirigida por:
Dr. D. Rafael Pérez García
RESUMEN
El estudio de una red de distribución de agua potable, bien para conocer su comportamiento
hidráulico, bien para ejercer una gestión eficaz de los recursos que la componen, exige el
manejo de una importante cantidad de información. Esta información posee distinta
naturaleza, aunque podría ser agrupada en tres grandes grupos según la misma y el uso a
que será sometida. Estos grupos son: información física de los elementos de la red,
información económica del sistema de abastecimiento e información espacial sobre la
ubicación de los anteriores.
Tradicionalmente, esta información se ha guardado en distintos formatos. La información
sobre los elementos de la red (diámetros, longitudes, fechas de puesta en operación,
proveedores, etc.) quedaba guardada en planos de obra o pequeñas bases de datos de
inventario. La información económica quedaba como la base de datos más cuidada del
sistema, donde quedaban registrados todos los datos relativos a los abonados, sus
consumos, direcciones, fechas de alta y otros datos necesarios para una correcta gestión
económica del abastecimiento. Por último, la información espacial se encontraba dispersa en
distintos planos topográficos donde aparecían las curvas de nivel del área geográfica
abastecida, la ubicación de las tuberías principales y los trazados de las conducciones de
distribución, en muchas ocasiones sin actualizar y realizados a mano. En cualquier caso, rara
vez existía conexión entre estos tres sistemas de información.
Sin embargo, hoy en día es cada vez más frecuente la necesidad de ligar la información
sobre las infraestructuras con la económica y ambas a su vez con la componente espacial.
Esto es posible gracias a la implantación de un adecuado Sistema de Información Geográfica
(SIG). Este sistema nos permite, no sólo relacionar datos de carácter geográfico o espacial
con otros datos alfanuméricos, sino también actualizar de una manera sencilla los datos
contenidos, a través de una apropiada interfaz gráfica.
El objetivo principal de la Tesis consiste en proporcionar una herramienta eficaz para el
apoyo en la toma de decisiones relativas a la gestión técnica de los abastecimientos. Para
ello, se han realizado los siguientes desarrollos específicos:
• Definición de una estructura de base de datos que recoge la totalidad de los datos
necesarios para la elaboración del modelo matemático de una red de abastecimiento de
agua potable. Esta base de datos recoge tanto los datos puramente cartográficos (como
altimetría, viario o parcelario) como los datos más específicos de una red de
abastecimiento de agua (abonados e infraestructuras).
• Elaboración de un modelo digital del terreno. Este modelo permite, por una parte, la
interpolación de las cotas de cada uno de los elementos de la red, en el caso de que se
desconozca este dato. Igualmente, esta interpolación se podrá utilizar para los nudos
que resulten de la creación del modelo matemático. Junto a esto, se ha completado
dicho modelo con un algoritmo de teselación que permite dividir el área de servicio en
zonas de influencia de cada uno de los nudos.
• Elaboración de la modelación de la red a partir de los datos de la misma disponibles en
el SIG. Puesto que las tareas de la gestión técnica de un abastecimiento son diversas, el
modelo matemático debe responder a la necesidad para la cual se ha creado. Por ello,
en función del uso que se va a hacer del modelo y el nivel de detalle necesario en éste,
el SIG incorpora una serie de rutinas de simplificación de la red.
• De la misma forma que el nivel de detalle del modelo depende del uso que se va a hacer
de él, la asignación de cargas o consumos al modelo también debe hacerse según el uso
que se vaya a hacer del modelo y la técnica empleada para la simplificación de la red. En
concreto, se han contemplado dos criterios de asignación. El primer criterio responde al
nivel de detalle del modelo y a la finalidad del mismo. Así, habrá que distinguir entre los
modelos estratégicos de operación y los modelos de detalle. En los primeros, se trabará
con caudales medios mientras que en los segundos se trabajará con caudales
correspondientes escenarios excepcionales de funcionamiento de la red (caudales
punta, sequía, averías, etc.). El segundo criterio será temporal. Debe contemplarse la
posibilidad de asignar consumos correspondientes a situaciones actuales, para lo cual se
dispondrá de la información de las facturaciones. Sin embargo, sobre todo a efectos de
planificación, será necesario integrar sistemas de predicción de demandas.
• Otro objetivo perseguido con esta Tesis es el de dar un primer paso hacia la
interoperabilidad de los sistemas de información geográfica. Dicho de otra forma, se ha
de tener en cuenta la posibilidad de compartir la información integrada en el SIG. Por
ello, se ha elaborado un modelo de datos compatible con los estándares proporcionados
por el Open GIS Consortium que permite implantar todo lo desarrollado en cualquier
sistema, independientemente de la plataforma elegida.
• Por último, se ha incluido en la Tesis una aplicación práctica de todo lo expuesto de tal
forma que quede patente la utilidad de la metodología desarrollada cuando se traslada a
un caso real.
La principal conclusión que se puede extraer de esta Tesis es que se ha realizado un trabajo
que facilitará la toma de decisiones relativas a la gestión técnica de los abastecimientos,
basando estas decisiones en los resultados proporcionados por un modelo matemático
obtenido a partir de los datos incluidos en un Sistema de Información Geográfica. Para ello
ha sido necesario solventar una serie de aspectos que se han ido desarrollando a lo largo de
los distintos capítulos de la Tesis.
PhD THESIS
GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEMS APPLIED TO TECHNICAL
MANAGEMENT OF DRINKING WATER DISTRIBUTION NETWORK
Presented BY:
D. Francisco Javier Martínez Solano
Directed by:
Dr. D. Rafael Pérez García
SUMMARY
When studying a Water Supply System (WSS), one needs to consider a huge amount of
information in order to understand its hydraulic performance or to determine how to manage
the existing resources of the network efficiently. There are many types of information, but
the information can be classified into three main groups, depending on its nature and its
later usage. These groups are: physical features of the network elements, economic
information of the water supply system and spatial information about the location of both
economic and physical data.
Traditionally, this information has been saved in different formats. The information about
network elements (diameters, lengths, starting date, suppliers, etc.) was saved in work plots
or small inventory data bases. The economic information was the most carefully kept data
base in the system. This database stored all the consumer data, including customers'
addresses, registering dates and other relevant data for correct economic management of
the system. Finally, spatial information was usually scattered in various topographic maps
where the izolines of the supplied geographic area, the location of the mains and the
distribution pipes layout appeared. However, most of the time these were not updated
sketches. In any case, a connection rarely existed among the three information systems.
However, nowadays there is a greater need to link spatial, economic and physic information
together. This is now possible thanks to the implementation of a proper geographic
information system (GIS). This system allows us not only to link geographic or spatial data
with another alphanumeric data, but also to update in a simple way the included data,
through an appropriate graphical interface.
The aim of this thesis consists of supplying an efficient tool for decision making support
related to water supply technical management. In order to get this target, some
developments have been done:
• Definition of a database structure gathering the whole of the necessary data to create
the mathematical model of the water distribution network. This database must collect
both cartographic data (such as elevation, roads or parcels) and specific data relating to
water supply (consumers and infrastructures).
• Elaboration of a digital terrain model. This model must allow the interpolation of the
elevation of every element in the network. In the same way, this interpolation could be
applied to the new nodes appeared after the model creation. On the other hand, the
model has been completed with an algorithm of tessellation that allows dividing the
service area in influence zones of every node in the model.
• Creation of a mathematical model of the network starting from the network data
available in the GIS. Since the management tasks in a water supply system are diverse,
the model must suit the need it has been created for. So that, the GIS includes a set of
routines to simplify the network depending on the use and the level of detail needed.
• The load allocation, this is, the definition of the demand to be assigned to the nodes of
the model, depends on the use and the level of detail of the model and the techniques
used for model skeletonation. In this case two criteria for load allocation have been
proposed. The first criteria responds to the level of detail and purpose of the model. So,
there must be defined to kinds of models: strategic and detailed model. Strategic model
will be used with average loads while detailed models will work with different situations
such as peak demand flows, droughts, faults, etc. The second criteria involves time. The
situations may vary from current situation to long term flow estimations. For present day
situation, the billing data will be used, but in order to plan the future growth of the
network, some tools for estimating future demands have been developed. For projected
demands, statistic analysis of demand time series and spatial based regressions have
been used.
• Another aim of this PhD Thesis consists of initiating the interoperability among the
different geographic information systems. For that, the possibility of sharing information
has been taken into account. In order to facilitate the information exchange, a data
model has been developed. This data model follows the recommendations made by the
Open GIS Consortium. This contribution will allow the use of the tools developed in any
system, independently of the used software.
• Lastly, a case study has been included in the Thesis showing the usefulness of applying
the methodology proposed to the technical management of a real water supply system.
The main conclusion that can be extracted from this Thesis is that a powerful tool for making
decision has been created. A proper use of geographic information system will aid to some
decisions related to the technical management of a water supply system. These decisions will
be supported by the results from hydraulic simulation made with a mathematical model of
the network generated from georeferenced data in a GIS. To get this model a succession of
problems were solved, which are described along the chapters of the Thesis.
INDICE DE CONTENIDOS
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN GENERAL ...........................................................1
1. JUSTIFICACIÓN DE LA TESIS.................................................................................3
2. CONTEXTO GENERAL DE LA TESIS........................................................................4
2.1. TENDENCIAS EN LA GESTIÓN DE LAS REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA.................................4
2.2. EVOLUCIÓN DE LOS MODELOS DE SIMULACIÓN HIDRÁULICA..............................................7
2.3. EL PAPEL DEL SIG EN LA GESTIÓN DE REDES.....................................................................8
3. OBJETIVOS DE LA TESIS........................................................................................9
4. ESTRUCTURA DE LA MEMORIA PRESENTADA....................................................12
5. CONCLUSIÓN....................................................................................................17
CAPÍTULO 2. APLICACIÓN DE LOS SIG A LA GESTIÓN DE LOS SISTEMAS DE
DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE. ESTADO DEL ARTE ...............19
1. INTRODUCCIÓN................................................................................................21
2. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA.................22
2.1. BREVE RESEÑA HISTÓRICA.........................................................................................22
2.2. DEFINICIÓN Y COMPONENTES DE UN SISTEMA DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA.....................23
2.3. MODELACIÓN DE LOS DATOS ESPACIALES.....................................................................26
2.3.1.El modelo ráster.....................................................................................................26
2.3.2.El modelo vectorial.................................................................................................28
2.3.3.¿Modelo ráster o vectorial?....................................................................................30
2.4. MODELACIÓN DE LOS ATRIBUTOS...............................................................................31
2.4.1.Estructura de lista invertida....................................................................................34
2.4.2.Estructura jerárquica..............................................................................................34
2.4.3.Estructura de red....................................................................................................35
2.4.4.Estructura relacional...............................................................................................36
2.4.5.Estructura orientada a objetos...............................................................................37
2.5. INTEGRACIÓN DE LOS DATOS ESPACIALES Y LOS ATRIBUTOS..............................................39
2.6. HERRAMIENTAS PROPIAS DE UN SIG............................................................................40
2.6.1.Consultas................................................................................................................41
2.6.2.Topologías..............................................................................................................42
i
Indice de contenidos
2.6.3.Mapas temáticos.....................................................................................................43
2.6.4.Modelos digitales del terreno. ...............................................................................45
2.6.5.Desarrollo de aplicaciones. ....................................................................................45
3. UTILIZACIÓN DE LOS SIG EN LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA
POTABLE............................................................................................................46
3.1. ESTRUCTURA GENERAL DE LA GESTIÓN DE UN ABASTECIMIENTO APOYADA EN UN SIG............46
3.2. APLICACIÓN DE LOS SIG A LA CREACIÓN DE NUEVAS INFRAESTRUCTURAS...........................49
3.2.1.Planificación de un abastecimiento........................................................................50
3.2.2.Diseño de la red......................................................................................................51
3.2.3.Proyecto de la red...................................................................................................53
3.3. APLICACIÓN DE LOS SIG EN LA CREACIÓN DE MODELOS MATEMÁTICOS DE LA RED DE
DISTRIBUCIÓN.......................................................................................................55
3.3.1.Utilización del SIG durante la creación del modelo. .............................................55
3.3.2.Aportación de los SIG al mantenimiento de los modelos matemáticos................56
3.4. APLICACIÓN DE LOS SIG A LA OPERACIÓN Y EL CONTROL DE LA RED...................................57
3.4.1.Control de la red.....................................................................................................58
3.4.2.Gestión de maniobras de cierre parcial..................................................................60
3.4.3.Cálculo de los indicadores de gestión....................................................................62
3.4.4.Generación y gestión de sectores en la red...........................................................63
3.4.5.Control y gestión de pérdidas volumétricas...........................................................67
3.5. APLICACIÓN DE LOS SIG A LA GESTIÓN DE LAS INFRAESTRUCTURAS EXISTENTES....................72
3.5.1.Gestión del inventario.............................................................................................72
3.5.2.Mantenimiento preventivo.....................................................................................74
3.5.3.Mantenimiento correctivo......................................................................................76
3.5.4.Rehabilitación y renovación de la red....................................................................77
4. CONCLUSIONES................................................................................................79
CAPÍTULO 3. MODELOS DE CÁLCULO UTILIZADOS .........................................81
1. INTRODUCCIÓN................................................................................................83
2. APROXIMACIÓN A LOS MODELOS DIGITALES O MATEMÁTICOS......................84
2.1. CONCEPTO DE MODELO DIGITAL O MATEMÁTICO..........................................................84
2.2. CLASIFICACIÓN DE LOS MODELOS..............................................................................85
2.2.1.Clasificación en función de la naturaleza del modelo...........................................85
2.2.2.Clasificación en función del tratamiento de la variable temporal.........................86
2.2.3.Nivel de detalle y objetivos del modelo.................................................................87
3. INTRODUCCIÓN A LOS MODELOS DIGITALES DEL TERRENO ...........................88
3.1. PRINCIPALES ESTRUCTURAS DE DATOS PARA LOS MDT.....................................................88
3.1.1.Matrices de Altitud..................................................................................................89
3.1.2.Estructura de Redes Triangulares Irregulares (TIN)................................................90
ii
Indice de contenidos
3.2. FUENTES DE DATOS EN UN MDT.................................................................................91
3.2.1.Puntos de observación regularmente repartidos..................................................92
3.2.2.Puntos repartidos de forma irregular.....................................................................92
3.2.3.Curvas de nivel.......................................................................................................93
3.3. ALGORITMO DE TRIANGULACIÓN Y POLIGONIZACIÓN.....................................................93
3.3.1.El mosaico de Dirichlet..........................................................................................93
3.3.2.Introducción al algoritmo de Watson para la Triangulación de Delaunay............95
3.3.3.Introducción de nuevos puntos.............................................................................97
3.3.4.Definición de un triángulo.....................................................................................99
3.3.5.Obtención de los polígonos de Voronoi a partir de la triangulación de
Delaunay...............................................................................................................100
3.4. ALGORITMOS DE INTERPOLACIÓN.............................................................................102
3.4.1.Planteamiento de un problema de interpolación espacial..................................102
3.4.2.Interpolación por proximidad...............................................................................103
3.4.3.Interpolación lineal...............................................................................................104
3.4.4.Interpolación mediante superficies de tendencia................................................105
3.4.5.Interpolación inversa a la distancia......................................................................105
3.4.6.Interpolación por kriging......................................................................................106
3.4.7.Interpolación por técnicas de elementos finitos..................................................110
3.4.8.Otros métodos de interpolación...........................................................................112
4. MODELO DE ANÁLISIS HIDRÁULICO DE REDES DE DISTRIBUCIÓN DE
AGUA...............................................................................................................112
4.1. CODIFICACIÓN DE LA REALIDAD EN UN SISTEMA DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA................112
4.2. INTRODUCCIÓN A LA SIMULACIÓN HIDRÁULICA DE REDES DE ABASTECIMIENTO DE AGUA......114
4.2.1.Definiciones básicas en un problema de análisis de redes.................................114
4.2.2.Definiciones propias de la teoría de grafos o topología......................................118
4.3. FASES EN LA ELABORACIÓN DE LOS MODELOS MATEMÁTICOS..........................................119
4.3.1.Recopilación de Información................................................................................121
4.3.2.Esqueletización de la Red.....................................................................................121
4.3.3.Asignación de cargas............................................................................................122
4.3.4.Verificación y calibración del modelo...................................................................123
4.4. UTILIZACIÓN DE UN SIG PARA LA SIMPLIFICACIÓN DE MODELOS MATEMÁTICOS DE REDES
DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA.....................................................................................124
4.5. RESOLUCIÓN DE LAS ECUACIONES HIDRÁULICAS DE LA RED............................................131
4.4.1.Ecuaciones básicas del flujo en tuberías..............................................................131
4.4.2.Resolución de la red por el método del gradiente..............................................133
5. CONCLUSIONES...............................................................................................141
iii
Indice de contenidos
CAPÍTULO 4. ASIGNACIÓN DE CARGAS EN UN MODELO MATEMÁTICO .........143
1. INTRODUCCIÓN..............................................................................................145
2. ANÁLISIS DE CONSUMOS Y DETERMINACIÓN DE CAUDALES MEDIOS...........147
2.1. OBTENCIÓN DEL CAUDAL MEDIO CORRESPONDIENTE A UN INSTANTE ACTUAL....................149
2.1.1.Consumo registrado y consumo facturado..........................................................149
2.1.2.Consumo no registrado........................................................................................152
2.2. OBTENCIÓN DE UNA ESTIMACIÓN DEL CAUDAL PROYECTADO.........................................155
2.2.1.Demandas actuales frente a demandas futuras...................................................155
2.2.2.Método para estimar el caudal en una red con ausencia de datos.....................157
3. TÉCNICAS DE ASIGNACIÓN DE CARGAS..........................................................161
3.1. ASIGNACIÓN DE CONSUMOS UNITARIOS POR CALLE.....................................................161
3.2. ASIGNACIÓN POR DERIVACIONES DE LÍNEAS Y NUDOS..................................................162
3.3. ASIGNACIÓN POR MALLAS DEL MODELO....................................................................163
3.4. ASIGNACIÓN PUNTO A PUNTO................................................................................164
4. ESTUDIOS PREVIOS REALIZADOS PARA DETERMINAR EL CAUDAL PUNTA
EN UNA INSTALACIÓN....................................................................................166
4.1. INTRODUCCIÓN A LA NATURALEZA ESTADÍSTICA DEL CONSUMO INSTANTÁNEO DE AGUA......166
4.2. MÉTODOS BASADOS EN LA FORMULACIÓN PROBABILÍSTICA...........................................168
4.2.1.Estudios realizados en Inglaterra por Butler y Graham (1995).............................168
4.2.2.Estudio realizado en España por Arregui (1998)..................................................170
4.3. MÉTODOS EMPÍRICOS UTILIZADOS PARA LA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL PUNTA..............171
4.3.1.Mediciones realizadas por la American Water Works Association (AWWA).........171
4.3.2.Arizmendi (1991)...................................................................................................172
4.3.3.Lingereddy et al. (1998)........................................................................................173
4.3.4.Ayuntamiento de Valencia (1995).........................................................................174
5. MODELO ESTOCÁSTICO PARA LA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL MÁXIMO
DE UNA LÍNEA.................................................................................................175
5.1. APROXIMACIÓN A LA TEORÍA DE LÍNEAS DE ESPERA......................................................176
5.2. MODELO DE POISSON PARA EL CAUDAL EN UNA TUBERÍA.............................................179
5.3. DISTRIBUCIÓN DEL CAUDAL CONSUMIDO EN UNA VIVIENDA..........................................180
5.4. DISTRIBUCIÓN DEL CAUDAL EN UNA CONDUCCIÓN QUE ABASTECE A VARIAS VIVIENDAS
SIMULTÁNEAMENTE...............................................................................................182
5.5. MODELO PROPUESTO PARA LA ESTIMACIÓN DE CAUDALES MÁXIMOS...............................187
5.5.1.Distribución del caudal aportado por un aparato.................................................188
5.5.2.Determinación del factor de utilización...............................................................189
5.5.3.Modificaciones realizadas para acelerar el cálculo..............................................190
5.6. COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS CON ESTUDIOS PREVIOS........................192
5.6.1.Comparación con mediciones realizadas.............................................................192
5.6.2.Comparación con otros métodos empíricos.........................................................194
iv