Una red de suministro de agua o un sistema de suministro de agua es un sistema de componentes hidrológicos e hidráulicos diseñados que proporcionan suministro de agua . Un sistema de suministro de agua normalmente incluye lo siguiente:
Las redes de suministro de agua suelen estar a cargo de servicios públicos de la industria 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 de un acuífero subterráneo ) dentro de la cuenca 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 subterránea .
Prácticamente todos los sistemas grandes 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 Estados Unidos (EPA). El tratamiento del agua debe realizarse antes de que el producto llegue al consumidor y después (cuando se vuelve a descargar). 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 de tratamiento de aguas superficiales tradicionales 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 el flujo de agua y eliminan 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 hasta el punto de consumo, se denomina agua potable si cumple con los estándares de calidad del agua exigidos 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 del suelo no pueda ingresar a 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 depósitos de servicios de este tipo .
En sistemas domésticos pequeños, el agua puede ser presurizada mediante un recipiente a presión o incluso mediante una cisterna subterránea (esta última, sin embargo, necesita una 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 suelen ser propiedad de gobiernos locales, como ciudades u otras entidades públicas, y mantenidos por ellos, pero ocasionalmente son operados por una empresa comercial (ver privatización del agua ). Las redes de abastecimiento de agua forman parte de la planificación maestra de comunidades, condados y municipios. Su planificación y diseño requieren la experiencia de planificadores urbanos 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 la red de tuberías . análisis y otras herramientas.
A medida que el agua pasa por el sistema de distribución, la calidad del agua puede degradarse mediante reacciones químicas y procesos biológicos. La corrosión de los materiales de las tuberías metálicas en el sistema de distribución puede provocar la liberación de metales al agua con efectos estéticos y de salud indeseables. La liberación de hierro de tuberías de hierro sin revestimiento puede provocar que los clientes informen de "agua roja" en el grifo. La liberación de cobre de las tuberías de cobre puede provocar que los clientes informen sobre "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.
Las empresas de servicios públicos suelen ajustar la 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 tiende a pasivar la corrosión depositando una capa de carbonato de calcio . A menudo se añaden inhibidores de corrosión para reducir la liberación de metales al agua. Los inhibidores de corrosión comunes que se agregan al agua son los fosfatos y los 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 .
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 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 a todos los usuarios de la red.
La mayoría de los sistemas están divididos 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 zonas con el 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 agua. La documentación sistemática de los trabajos de mantenimiento utilizando un sistema computarizado de gestión de mantenimiento (CMMS) es clave para el funcionamiento exitoso de una empresa de agua. [ ¿ por qué? ]
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 suministro de agua a las zonas urbanas. La incorporación de tecnologías hídricas innovadoras en los sistemas de suministro de agua mejora el suministro de agua desde perspectivas sostenibles. El desarrollo de tecnologías hídricas innovadoras aporta 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 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 el enfriamiento, para el lavado en la industria siderúrgica y para diversas operaciones en la industria alimentaria. instalaciones de procesamiento .
Es necesario adoptar un nuevo enfoque para diseñar las redes urbanas de abastecimiento de agua; Se espera que en las próximas décadas haya escasez de agua 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 suministro 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 urbanas de suministro de agua en los países en desarrollo enfrentan problemas relacionados con el aumento de la población , la escasez de agua y la contaminación ambiental .
En 1900, sólo 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 estadística aumente hasta el 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 la localización y conexión del 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 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 al suministro de agua insalubre . [6] Muchas personas no tienen acceso, o no tienen acceso, a calidad y cantidad de agua potable, aunque el agua en sí es abundante. Los pobres de los países en desarrollo pueden estar cerca de ríos importantes o en zonas con altas precipitaciones y, sin embargo, no tener acceso a agua potable en absoluto. También hay personas que viven donde la falta de agua provoca millones de muertes cada año.
Cuando el sistema de suministro de agua no puede llegar a los barrios marginales, la gente se las arregla para utilizar 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 principal causa de la escasez de agua es el crecimiento de la demanda. El agua se toma 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 precipitación 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 frecuentemente y acuerdos poco claros. [7] La demanda de agua supera la oferta, y el suministro de agua doméstico e industrial tiene prioridad 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 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". [9] 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, de 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 tienen que ver con la optimización de las redes de suministro existentes. Por lo general, estas economías han tenido una evolución continua, lo que les permitió construir infraestructura para suministrar 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 poco concretas, y por tanto no se llevan a la práctica. [11] Las Naciones Unidas han hecho recomendaciones , 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. Para un sistema de suministro de agua, el verdadero valor o beneficio neto es un servicio de suministro de agua confiable que tenga una cantidad adecuada y 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 del nuevo ramal del sistema debe diseñarse para satisfacer las nuevas necesidades, manteniendo al mismo tiempo el suministro del 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 produce el máximo beneficio. Sin embargo, el enfoque de menor costo normalmente resulta en 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 función de los diámetros de las tuberías; por lo tanto, el problema de optimización consiste en encontrar una solución de costo mínimo optimizando el tamaño de la tubería para proporcionar la capacidad mínima aceptable.
Sin embargo, según los autores del artículo titulado “Método para optimizar el diseño y rehabilitación de sistemas de distribución de agua”, “la mínima capacidad no es una solución deseable para una red de suministro de agua sostenible a largo plazo, debido a la incertidumbre del demanda futura”. [12] Es preferible proporcionar capacidad adicional de tubería 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 costos) a un problema de optimización de múltiples objetivos (minimizar costos 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 enfoque de suma ponderada otorga un cierto peso a los diferentes objetivos y luego factoriza todos estos pesos para formar una función objetivo única que puede resolverse mediante 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 segundo enfoque (el método de restricción) elige una de las funciones objetivo como objetivo único 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.
Los problemas de optimización de objetivos múltiples implican calcular la compensación entre costos y beneficios, lo que da como resultado un conjunto de soluciones que pueden usarse para 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 uno sin sacrificar el otro. En algunos casos es necesario utilizar un enfoque diferente. (por ejemplo, análisis de Pareto ) y elija la mejor combinación.
Volviendo a la función objetivo de costos, 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 , tales como: la presión mínima entregada, además de las restricciones físicas como los niveles máximo y mínimo de agua en los tanques de almacenamiento para evitar desbordes y vaciados respectivamente”. [13]
Para optimizar el rendimiento operativo de la red de suministro 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, gestionar y operar una red de suministro de agua para lograr la sostenibilidad; por ejemplo, la adopción de tecnología apropiada junto con estrategias efectivas para la operación y el 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 hídrico y calidad del agua.
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.
Tanto los hogares como 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 precipitaciones y las aguas residuales. La tecnología de membranas se puede utilizar para reciclar aguas residuales.
El gobierno municipal puede desarrollar un “Sistema Municipal de Reutilización de Agua”, que es un enfoque actual para gestionar el agua de lluvia. Aplica un esquema de reutilización de 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 del agua residual sanitaria, y recogerla para reciclar sus nutrientes . [14] Las heces y la fracción de aguas grises se recolectan, junto con los desechos orgánicos de los hogares, mediante un sistema de alcantarillado por gravedad , lavado continuamente 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 de suministro de agua sostenibles es una tendencia creciente, porque sirve a los intereses de largo plazo de las personas. [15] Existen varias formas de reutilizar y reciclar el agua, con el fin de lograr la sostenibilidad a largo plazo, tales como:
Otros enfoques posibles para determinar el alcance de los modelos de suministro de agua, aplicables a cualquier área urbana, incluyen los siguientes:
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 generado algunos principios que son de gran importancia para el suministro de agua urbana. Estos son:
A partir de estas declaraciones, desarrolladas en 1992, se han creado varias políticas para dar importancia al agua y hacer avanzar la gestión de los sistemas hídricos urbanos hacia un desarrollo sostenible. La Directiva Marco del Agua de la Comisión Europea es un buen ejemplo de lo que se ha creado allí a partir de políticas anteriores.
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. [17]
Un obstáculo para transformar 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 siempre también necesitan soluciones a corto plazo. [ cita necesaria ] Otro obstáculo para lograr la sostenibilidad en los sistemas de suministro de agua es la experiencia práctica insuficiente con las tecnologías requeridas y la falta de conocimientos sobre la organización y el proceso de transición.
Posibles formas de mejorar esta situación son simulando la red, implementando proyectos piloto , aprendiendo de los costos involucrados y los beneficios obtenidos.
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