Una red de suministro de agua o un sistema de suministro de agua es un sistema de componentes hidráulicos e hidrológicos diseñados que proporcionan suministro de agua . Un sistema de suministro de agua normalmente incluye lo siguiente:
Las redes de suministro de agua suelen estar gestionadas por empresas de servicios públicos del sector del agua .
El agua cruda (sin tratar) proviene de una fuente de agua superficial (como una toma de agua en un lago o un río ) o de una fuente de agua subterránea (como un pozo de agua que extrae agua de un acuífero subterráneo ) dentro de la cuenca hidrográfica que proporciona el recurso hídrico .
El agua bruta se transfiere a las instalaciones de purificación de agua mediante acueductos descubiertos, túneles cubiertos o tuberías de agua subterráneas .
Prácticamente todos los sistemas de gran tamaño deben tratar el agua, un hecho que está estrictamente regulado por organismos mundiales, 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 realizarse antes de que el producto llegue al consumidor y después (cuando se descarga nuevamente). La purificación del agua suele realizarse 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 tradicionales de tratamiento de aguas superficiales generalmente constan de 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 mediante sedimentación o flotación fuera de la corriente de agua. Los filtros de arena, antracita o carbón activado refinan la corriente 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.
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 de la red de suministro se mantiene a presión positiva para garantizar que llegue a todas las partes de la red, que haya un caudal suficiente en cada punto de toma y que el agua no tratada del suelo no pueda entrar en la red. Normalmente, el agua se presuriza bombeándola a tanques de almacenamiento construidos en el punto local más alto de la red. Una red puede tener varios de estos depósitos de servicio .
En los sistemas domésticos pequeños, el agua puede presurizarse mediante un recipiente a presión o incluso mediante una cisterna subterránea (esta última necesita una presurización adicional), lo que elimina la necesidad de una torre de agua o cualquier otra reserva de agua elevada para suministrar la presión de agua.
Estos sistemas suelen ser propiedad de gobiernos locales, como ciudades u otras entidades públicas, que se encargan de su mantenimiento, pero en ocasiones son operados por una empresa comercial (véase privatización del agua ). Las redes de suministro de agua forman parte de la planificación maestra de comunidades, condados y municipios. Su planificación y diseño requiere la experiencia de urbanistas e ingenieros civiles , que deben tener en cuenta muchos factores, como la ubicación, la demanda actual, el crecimiento futuro, las fugas, la presión, el tamaño de las tuberías, la pérdida de presión, los caudales de extinción de incendios, etc., utilizando el análisis de redes de tuberías 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 de las tuberías de metal en el sistema de distribución puede provocar la liberación de metales en el agua con efectos estéticos y para la salud indeseables. La liberación de hierro de las tuberías de hierro sin revestimiento puede dar lugar a informes de los clientes de "agua roja" en el grifo. La liberación de cobre de las tuberías de cobre puede dar lugar a informes de los clientes de "agua azul" y/o un sabor metálico. La liberación de plomo puede ocurrir a partir de la soldadura utilizada para unir las tuberías de cobre o de los accesorios de latón . Los niveles de cobre y plomo en el grifo del consumidor están regulados para proteger la salud del consumidor.
Las empresas de servicios públicos suelen ajustar la composición química del agua antes de su distribución para minimizar su corrosividad. El ajuste más simple implica el control del pH y la alcalinidad para producir un agua que tienda a pasivar la corrosión depositando una capa de carbonato de calcio . A menudo se añaden inhibidores de corrosión para reducir la liberación de metales en el agua. Los inhibidores de corrosión comunes que se añaden al agua son los fosfatos y los silicatos .
Otro objetivo de la distribución de agua es mantener el agua potable biológicamente segura. Normalmente, se añade 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 adecuados y sostenidos de desinfección .
Al igual que las líneas eléctricas, las carreteras y las redes de radio por microondas, los sistemas de agua pueden tener una topología de red en bucle o en rama , o una combinación de ambas. Las redes de tuberías son circulares o rectangulares. Si alguna sección de la red de distribución de agua falla o necesita reparación, esa sección se puede aislar sin interrumpir el funcionamiento de todos los usuarios de la red.
La mayoría de los sistemas se dividen en zonas. [1] 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 funcionar como un sistema independiente, generalmente existe algún acuerdo para interconectar las zonas a fin de gestionar fallas de equipos o fallas del sistema.
Las redes de suministro de agua suelen representar la mayoría de los activos de una empresa de suministro de agua. La documentación sistemática de los trabajos de mantenimiento mediante un sistema informático de gestión del mantenimiento (CMMS) es fundamental para el funcionamiento exitoso de una empresa de suministro de agua. [ ¿Por qué? ]
Una red de abastecimiento de agua urbana sostenible abarca todas las actividades relacionadas con el suministro de agua potable . El desarrollo sostenible tiene una importancia cada vez mayor para el abastecimiento de agua a las zonas urbanas. La incorporación de tecnologías hídricas innovadoras en los sistemas de abastecimiento de agua mejora el suministro de agua desde perspectivas sostenibles. El desarrollo de tecnologías hídricas innovadoras proporciona flexibilidad al sistema de abastecimiento de agua, generando un medio fundamental y eficaz de sostenibilidad basado en un enfoque integrado de opciones reales . [2]
El agua es un recurso natural esencial para la existencia humana. Es necesaria 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 la refrigeración, para el lavado en la industria siderúrgica y para diversas operaciones en las instalaciones de procesamiento de alimentos .
Es necesario adoptar un nuevo enfoque para diseñar las redes de abastecimiento de agua urbana; se esperan escasez de agua en las próximas décadas y las regulaciones ambientales para la utilización 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 es necesario desperdiciar menos agua y tomar medidas para evitar fugas en las tuberías. Los consumidores toleran cada vez menos que se corte el servicio de suministro para reparar fugas. 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 abastecimiento de agua urbana en los países en desarrollo enfrentan problemas relacionados con el aumento de la población , la escasez de agua y la contaminación ambiental .
En 1900, tan solo el 13% de la población mundial vivía en ciudades. En 2005, el 49% de la población mundial vivía en zonas urbanas. En 2030, se prevé que esta cifra aumentará al 60%. [3] Los intentos de los gobiernos de ampliar el suministro de agua son costosos y, a menudo, insuficientes. La construcción de nuevos asentamientos ilegales dificulta el mapeo y la conexión de las fuentes de suministro de agua, y conduce a una gestión inadecuada del agua. [4] En 2002, había 158 millones de personas con un suministro de agua inadecuado . [5] 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 .
El agua potable no está bien distribuida en el mundo. Según la OMS , cada año se atribuyen 1,8 millones de muertes a un suministro de agua insalubre . [6] Muchas personas no tienen acceso a agua potable, o no tienen acceso a una cantidad y calidad de agua potable, a pesar de que el agua en sí es abundante. Las personas pobres de los países en desarrollo pueden vivir cerca de ríos importantes o en zonas con altas precipitaciones, pero no tener acceso a agua potable en absoluto. También hay personas que viven en lugares donde la falta de agua genera millones de muertes cada año.
Cuando el sistema de abastecimiento de agua no llega a los barrios marginales, la gente se las arregla para utilizar bombas manuales para llegar a 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 principal causa de la escasez de agua es el crecimiento de la demanda. El agua se extrae de zonas remotas para satisfacer las necesidades de las zonas urbanas. Otra razón de la escasez de agua es el cambio climático : los patrones de precipitaciones han cambiado, los ríos han disminuido su caudal, los lagos se están secando y los acuíferos se están vaciando.
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. [7] La demanda de agua supera la oferta, y el suministro de agua para usos domésticos e industriales se prioriza sobre otros usos, lo que conduce al estrés hídrico . [8] El agua potable tiene un precio en el mercado; el agua a menudo se convierte en un negocio para las empresas privadas, que obtienen ganancias al fijar un precio más alto al agua, lo que impone una barrera para las personas de menores 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 de agua y su gestión sostenible y el saneamiento para todos”. [9] Esto se hace en reconocimiento del derecho humano al agua y al saneamiento, que fue reconocido formalmente en la Asamblea General de las Naciones Unidas en 2010, cuando se afirmó que “el agua potable y el saneamiento son esenciales para el reconocimiento de todos los derechos humanos”. [10] 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 se centran en optimizar las redes de suministro existentes. Estas economías, por lo general, han experimentado una evolución continua que les ha permitido construir infraestructuras para abastecer de agua a la población. La Unión Europea ha desarrollado un conjunto de normas y políticas para superar los problemas previstos en el futuro.
Existen muchos documentos internacionales con ideas interesantes, pero poco específicas, y por ello no se llevan a la práctica. [11] Se han hecho recomendaciones por parte de las Naciones Unidas , como la Declaración de Dublín sobre el Agua y el Desarrollo Sostenible .
El rendimiento de un sistema se puede medir por su valor o por su beneficio neto. En el caso de un sistema de abastecimiento de agua, el valor real o beneficio neto es un servicio de abastecimiento de agua confiable que cuente con la cantidad adecuada y una buena calidad del producto. Por ejemplo, si es necesario 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 satisfacer las nuevas necesidades, manteniendo al mismo tiempo el suministro al sistema antiguo.
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 tuberías), al tiempo que satisface las restricciones hidráulicas como: presiones de salida requeridas, caudal máximo de la tubería y velocidades de flujo de la 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 optimizando los tamaños de las tuberías para proporcionar la capacidad mínima aceptable.
Sin embargo, según los autores del artículo titulado “Método para optimizar el diseño y la rehabilitación de los sistemas de distribución de agua”, “la menor capacidad no es una solución deseable para una red de suministro de agua sostenible a largo plazo, debido a la incertidumbre de la demanda futura”. [12] Es preferible proporcionar capacidad adicional de tuberías para hacer frente al crecimiento inesperado de la demanda y a los cortes de agua. El problema cambia de un problema de optimización de un solo objetivo (minimizar el costo) a un problema de optimización de múltiples objetivos (minimizar el costo y maximizar la capacidad de flujo).
Para resolver un problema de optimización multiobjetivo, 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 método de suma ponderada otorga un cierto peso a los diferentes objetivos y luego factoriza todos estos pesos para formar una única función objetivo que se puede resolver mediante optimización de un solo factor. Este método no es completamente satisfactorio, porque los pesos no se pueden elegir correctamente, por lo que este método no puede encontrar la solución óptima para todos los objetivos originales.
El segundo enfoque (el método de restricción) elige una de las funciones objetivo como objetivo único y las demás funciones objetivo se tratan como restricciones con un valor limitado. Sin embargo, la solución óptima depende de los límites de restricción predefinidos.
Los problemas de optimización de objetivos múltiples implican el cálculo de la compensación entre los costos y los beneficios, lo que da como resultado un conjunto de soluciones que se pueden utilizar para el análisis de sensibilidad y probar en diferentes escenarios. Pero no existe una única solución óptima que satisfaga la optimalidad global de ambos objetivos. Como ambos objetivos son hasta cierto punto contradictorios, no es posible mejorar un objetivo sin sacrificar el otro. En algunos casos es necesario utilizar un enfoque diferente (por ejemplo, el análisis de Pareto ) y elegir la mejor combinación.
Volviendo a la función objetivo de costo, no puede violar ninguna de las restricciones operativas. Generalmente este costo está dominado por el costo de energía para el bombeo. “Las restricciones operativas incluyen los estándares de servicio al cliente , como: la presión mínima entregada, además de las restricciones físicas como los niveles máximos y mínimos de agua en los tanques de almacenamiento para evitar el desbordamiento y el vaciado respectivamente”. [13]
Para optimizar el rendimiento operativo de la red de suministro de agua, al mismo tiempo que se minimizan los costos de energía, es necesario predecir las consecuencias de diferentes ajustes de bombas y válvulas en el comportamiento de la red.
Además de la programación lineal y no lineal, existen otros métodos y enfoques para diseñar, gestionar y operar una red de abastecimiento 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 eficaces, apoyo técnico a los hogares y las industrias, mecanismos de financiación sostenibles y el desarrollo de cadenas de suministro fiables . Todas estas medidas deben garantizar lo siguiente: vida útil del sistema; ciclo de mantenimiento; continuidad del funcionamiento; tiempo de inactividad para reparaciones; rendimiento y calidad del agua.
En un sistema insostenible, el mantenimiento de las redes de agua, especialmente de las grandes conducciones en las zonas urbanas, es insuficiente. El sistema se deteriora y necesita rehabilitación o renovación.
Tanto los hogares como las plantas de tratamiento de aguas residuales pueden mejorar la eficiencia y la sostenibilidad de las redes de suministro de agua. Se obtienen importantes mejoras en la ecoeficiencia mediante la separación sistemática de las aguas pluviales y residuales. La tecnología de membranas se puede utilizar para reciclar las 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 reutilización 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 . [14] La fracción de heces y aguas grises se recoge, junto con los desechos orgánicos de los hogares, utilizando un sistema de alcantarillado por gravedad , que se limpia continuamente con agua no potable. El agua se trata anaeróbicamente y el biogás se utiliza para la producción de energía .
Una forma eficaz de lograr una gestión sostenible del agua es centrar la atención en proyectos hídricos descentralizados, como la difusión del riego por goteo en la India. [15] Este proyecto cubre grandes áreas espaciales y depende de decisiones individuales de adopción de tecnología, ofreciendo soluciones escalables que pueden mitigar la escasez de agua y mejorar la productividad agrícola.
Otro método que se puede utilizar es la promoción de la participación comunitaria y la resistencia contra proyectos de infraestructura hídrica insostenibles. Los movimientos de base, como se observa en las protestas contra las represas en varios países, desempeñan un papel crucial a la hora de cuestionar las narrativas dominantes sobre el desarrollo y abogar por prácticas de gestión del agua más justas desde el punto de vista social y ecológico. [15]
Los municipios y otras formas de gobiernos locales también deberían invertir en tecnologías innovadoras, como la tecnología de membranas para el reciclado de aguas residuales, y desarrollar marcos de políticas que incentiven prácticas ecoeficientes. Los sistemas municipales de reutilización del agua, como se ha demostrado en la implementación, ofrecen vías prometedoras para integrar el tratamiento de aguas residuales y la recuperación de recursos en las redes de agua urbanas. [15]
El sistema de abastecimiento de agua sostenible es un sistema integrado que incluye la captación de agua, su utilización, la descarga y el tratamiento de aguas residuales y la protección del medio ambiente hídrico . Requiere reducir el uso de agua dulce y subterránea en todos los sectores de consumo. El desarrollo de sistemas de abastecimiento de agua sostenibles es una tendencia creciente, porque sirve a los intereses a largo plazo de las personas. [16] Hay varias formas de reutilizar y reciclar el agua, a fin de lograr la sostenibilidad a largo plazo, como:
Otros enfoques posibles para definir modelos de abastecimiento de agua, aplicables a cualquier zona urbana, incluyen los siguientes:
La Declaración de Dublín sobre el Agua y el Desarrollo Sostenible es un buen ejemplo de la nueva tendencia a superar los problemas de abastecimiento de agua. Esta declaración, propuesta por las economías avanzadas, ha formulado algunos principios que son de gran importancia para el abastecimiento de agua en las zonas urbanas. Son los siguientes:
A partir de estas declaraciones, elaboradas en 1992, se han creado varias políticas para dar importancia al agua y orientar la gestión de los sistemas hídricos urbanos hacia el desarrollo sostenible. La Directiva Marco del Agua de la Comisión Europea es un buen ejemplo de lo que se ha creado a partir de políticas anteriores.
Existe una gran necesidad de contar con sistemas de abastecimiento de agua más sostenibles. Para lograrlo, es necesario abordar varios factores al mismo tiempo: el cambio climático, el aumento del coste 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. [18]
Un obstáculo para la transformación de los sistemas convencionales de abastecimiento de agua es el tiempo necesario para lograr la transformación. Más concretamente, la transformación debe ser implementada por los órganos legislativos municipales , que siempre necesitan también soluciones a corto plazo. [ cita requerida ] Otro obstáculo para lograr la sostenibilidad de los sistemas de abastecimiento de agua es la insuficiente experiencia práctica con las tecnologías necesarias y la falta de conocimientos sobre la organización y el proceso de transición.
La infraestructura hídrica urbana enfrenta varios desafíos que socavan su sostenibilidad y resiliencia. Un problema crítico destacado en investigaciones recientes es la vulnerabilidad de las redes hídricas a la variabilidad climática y los fenómenos meteorológicos extremos. Las escasas lluvias estacionales, como se observó en el caso de la infraestructura de las esclusas y la presa del Canal de Panamá, ejemplifican cómo un suministro de agua inadecuado puede sobrecargar la infraestructura que consume grandes cantidades de agua, lo que plantea interrogantes sobre la legitimidad de la ingeniería y la fiabilidad de los sistemas hídricos. [19]
Otro desafío clave es el desarrollo desigual asociado con proyectos de infraestructura hídrica de gran escala, como represas y canales. Estos proyectos, si bien tienen como objetivo promover el crecimiento económico, a menudo en realidad reproducen desigualdades sociales y económicas al desplazar a las comunidades rurales y marginar a las poblaciones indígenas. [19] Este fenómeno de “acumulación por desposesión” enfatiza aún más la necesidad de enfoques más equitativos e inclusivos para el desarrollo de la infraestructura hídrica. [19]
Posibles formas de mejorar esta situación son simular la red, implementar proyectos piloto , aprender de los costos involucrados y los beneficios logrados.
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