Diseño de humedales artificiales para el tratamiento de aguas residuales en poblaciones rurales de la Sierra Norte de Ecuador; aplicación a la Parroquia Lita

La constitución ecuatoriana en su artículo 14 reconoce el derecho de la población a vivir en un ambiente sano y ecológicamente equilibrado, que garantice la sostenibilidad y el buen vivir. El agua no solo se usa para el consumo vital de las personas sino también para su actividad y bienestar. El agua usada se convierte en vehículo de desechos que deben ser gestionadas de manera eficiente y sostenible, considerando la interrelación entre las características propias de la población y el entorno en el que se emplazan. El principal problema que deben superar las poblaciones rurales del Ecuador es la falta de infraestructura sanitaria para el tratamiento de las aguas residuales. Si a esto se suma la poca información que se tiene del funcionamiento de las redes de saneamiento, se propicia una tendencia de gestión inadecuada de las aguas residuales. Si tomamos en cuenta que estas poblaciones comparten características sociales, económicas, demográficas y climatológicas, se pueden proponer acciones comunes que mejoren sus sistemas de saneamiento, cumpliendo con los postulados del buen vivir de la república del Ecuador. Diseñar un sistema de tratamiento de las aguas de acuerdo a las características de las poblaciones rurales de la Sierra Norte del Ecuador es el objetivo de este trabajo. En estos lugares, se pueden adquirir superficies grandes de terreno a un bajo coste, siendo ésta y su sencillez de construcción y explotación las razones principales por las que se escoge a los humedales artificiales como sistema de tratamiento. Como ejemplo de aplicación se selecciona a la parroquia Lita, una de las poblaciones rurales más grandes del norte del Ecuador. Con una población actual 1.221 habitantes, no cuenta con un tratamiento de sus aguas residuales previo a su vertido en el río Lita. Se propone la implantación de un sistema de depuración mediante humedales artificiales de flujo horizontal subsuperficial con etapas previas de desbaste, desarenado y tratamientos primarios mediante el uso de tanques Imhoff. Los lodos resultantes del tratamiento serán gestionados localmente, para lo cual se diseñan eras de secado. Para el lodo deshidratado se prevé el uso en actividades de agricultura. Para garantizar un buen funcionamiento del sistema de tratamiento, es primordial un buen funcionamiento de las redes de saneamiento, este apartado también será abordado en el presente trabajo, mediante el levantamiento de la información necesaria para elaborar un modelo matemático de la red y su posterior evaluación.Article 14 of the Ecuadorian Constitution recognizes people s right to live in a healthy and ecologically balanced environment, that can guarantee sustainability and good living. Water is not only used for the vital consumption of the people but it is also used in their activity and well-being. The used water becomes a waste vehicle that, considering the interrelationship between the population and their environment, must be managed efficiently and in a sustainable way. The main problem that Ecuador's rural population must overcome is the lack of sanitary infrastructure for wastewater treatment. If the lack of information about sewage networks operation is added, a tendency towards inadequate management of wastewater is favored. Taking into account that these populations share social, economic, demographic and climatological characteristics, common actions can be proposed to improve their sanitation systems and therefore comply with the postulates of good living of the Republic of Ecuador. Designing a water treatment system according to the characteristics of the rural populations of the Sierra Norte region of Ecuador is the objective of this study. In these places, large areas of land can be acquired at a low cost, this and their simplicity of construction and operation are the main reasons for choosing constructed wetlands as a treatment system. As an applied example Lita county was selected. This is one of the largest rural populations in northern Ecuador and has a population of 1,221 inhabitants currently. Wastewater in this county is not treated prior to its discharge into the Lita river. The implantation of a treatment system that uses contructedl wetlands with subsurface horizontal flow with previous stages of roughing, desanding and primary treatments using Imhoff tanks is therefore proposed. The resulting sludge from the treatment will be managed locally, for this sludge drying beds are designed. The dehydrated sludge is planned to be used in agricultural activities. To ensure the correct functioning of the designed wastewater treatment system, a good functioning of sewerage networks is essential. To guarantee the system efficiency a mathematical model of the network will be prepared and evaluated as a part of the present study.Bayas Jiménez, LA. (2018). Diseño de humedales artificiales para el tratamiento de aguas residuales en poblaciones rurales de la Sierra Norte de Ecuador; aplicación a la Parroquia Lita. http://hdl.handle.net/10251/100464TFG

Multi-Objective Optimization of Drainage Networks for Flood Control in Urban Area Due to Climate Change

[EN] The Fifth Assessment Report (AR5) of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) of the United Nations mentions that extreme rainfalls might increase their intensity and frequency in most mid-latitude locations and tropical regions by the end of this century, as a consequence of the rise of the average global surface temperature. Human action has given way to global warming which manifests with an increase in extreme rainfall. If these climatic conditions are added to the waterproofing that cities have been experiencing as a result of urban development, a scenario of growing concern for the managers of drainage systems is generated. The objective of drainage networks is preventing the accumulation of rainwater on the surface. Under the new conditions of climate change, these need to be modified and adapted to provide cities with the security they demand. The following article describes a method for flood control by using a rehabilitation model that connects the Storm Water Management Model (SWMM) 5 model with a genetic algorithm to find the best solutions to the flood problem. The final analysis is performed using the Pareto efficiency criteria. The innovation of this method is the inclusion of a local head loss in the drainage network, allowing the upstream flow to be retained by decreasing the downstream concentration time. These elements called hydraulic controls improve system performance and are installed in the initial part of some pipes coming out of storm tanks. As a case study, the developed method has been applied in a section of the drainage network of the city of Bogotá.Bayas-Jiménez, L.; Iglesias Rey, PL.; Martínez-Solano, FJ. (2019). Multi-Objective Optimization of Drainage Networks for Flood Control in Urban Area Due to Climate Change. Proceedings. 48(1):1-9. https://doi.org/10.3390/ECWS-4-06451S1948

Search Space Reduction for Genetic Algorithms Applied to Drainage Network Optimization Problems

[EN] In recent years, a significant increase in the number of extreme rains around the world has been observed, which has caused an overpressure of urban drainage networks. The lack of capacity to evacuate this excess water generates the need to rehabilitate drainage systems. There are different rehabilitation methodologies that have proven their validity; one of the most used is the heuristic approach. Within this approach, the use of genetic algorithms has stood out for its robustness and effectiveness. However, the problem to be overcome by this approach is the large space of solutions that algorithms must explore, affecting their efficiency. This work presents a method of search space reduction applied to the rehabilitation of drainage networks. The method is based on reducing the initially large search space to a smaller one that contains the optimal solution. Through iterative processes, the search space is gradually reduced to define the final region. The rehabilitation methodology contemplates the optimization of networks using the joint work of the installation of storm tanks, replacement of pipes, and implementation of hydraulic control elements. The optimization model presented uses a pseudo genetic algorithm connected to the SWMM model through a toolkit. Optimization problems consider a large number of decision variables, and could require a huge computational effort. For this reason, this work focuses on identifying the most promising region of the search space to contain the optimal solution and to improve the efficiency of the process. Finally, this method is applied in real networks to show its validity.This work was supported by the Program Fondecyt Regular (Project No. 1210410 and Project No. 1180660) of the Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID), Chile.Bayas-Jiménez, L.; Martínez-Solano, FJ.; Iglesias Rey, PL.; Mora-Meliá, D. (2021). Search Space Reduction for Genetic Algorithms Applied to Drainage Network Optimization Problems. Water. 13(15):1-24. https://doi.org/10.3390/w13152008S124131

Flood control in urban areas through the rehabilitation of drainage networks

Tesis por compendio[ES] Actualmente, la mayor parte de la población mundial vive en ciudades y se espera que esta tendencia continúe, trasladando cada año más población rural hacia las áreas urbanas. Este fenómeno se debe principalmente al desarrollo económico que se genera en las ciudades. Estas condiciones plantean desafíos importantes para las ciudades en cuanto a su planificación y gestión. Si el crecimiento de la urbanización se gestiona adecuadamente puede contribuir al crecimiento sostenible, aumentando la productividad y el nivel de vida de las personas. Sin embargo, no se puede pasar por alto que el crecimiento de las ciudades implica una afectación al medioambiente. Uno de los problemas que más preocupación causa es la expansión de las ciudades que sustituyen los espacios verdes y agrícolas que rodean a las ciudades por calles y estructuras impermeables. Este proceso disminuye la capacidad del suelo para absorber el agua en un evento de lluvia, incrementando la escorrentía y el riesgo de inundaciones. Si a este problema particular de las ciudades, le sumamos el innegable cambio climático que aumenta la frecuencia de eventos de lluvias extremas en ciertas zonas del planeta, la adaptación de la infraestructura de las ciudades para hacerlas más seguras es una necesidad imperiosa. Los sistemas de drenaje son infraestructuras esenciales, concebidos para captar y transportar el agua producto de las precipitaciones, su buen funcionamiento genera seguridad y bienestar a las personas mientras que un funcionamiento inadecuado se asocia al riesgo y a la vulnerabilidad. Bajo escenarios de cambio climático estas estructuras que fueron diseñadas para caudales menores no garantizan la efectiva evacuación de las aguas, volviendo a las ciudades vulnerables a las inundaciones que pueden generar pérdidas sociales y económicas. Para mitigar estos impactos se han desarrollado diferentes medidas como las denominadas buenas prácticas de manejo o la instalación de sistemas de drenaje con tecnología de bajo impacto, entre otras. Sin embargo, estas medidas no son suficientes para controlar el caudal pico de una lluvia extrema. Adaptar la red existente a las nuevas condiciones climáticas, se presenta como una alternativa idónea para el control de las inundaciones en el entorno urbano. Ampliar la capacidad de la red cambiando el tamaño de las tuberías por otras de mayor diámetro ha sido el enfoque tradicional que se ha venido usando desde hace muchos años. La inclusión de tanques de tormenta en el sistema es una medida que se adoptó posteriormente para dotarlo de mayor resiliencia a los picos de lluvias extremas. Desafortunadamente la construcción de estas estructuras en el entorno conlleva una gran dificultad por el tamaño de la intervención, el tiempo y el coste. En este contexto, el presente trabajo, presenta una novedosa forma de mejorar las redes de drenaje combinando el cambio de tuberías, la instalación de tanques de tormenta en la red de drenaje e incluye también elementos de control hidráulico en la red de drenaje. Con estas acciones se considera que la rehabilitación de la red será más eficiente en términos técnicos y económicos. Para lograrlo, se usa un modelo de optimización creado a partir de un algoritmo genético modificado conectado al modelo SWMM mediante una toolkit. El modelo de optimización se enfoca en minimizar el coste de la infraestructura requerida y de los costes asociados a las inundaciones. Planteado así el problema, se define una función objetivo compuesta por funciones de coste que será evaluada para encontrar las mejores soluciones. El desarrollo de diferentes pasos para la obtención de una metodología eficiente, las estrategias para reducir los tiempos de cálculo y el esfuerzo computacional, el análisis económico de las inundaciones y las estructuras requeridas se detalla en cada capítulo de esta tesis.[CA] Actualment, la major part de la població mundial viu en ciutats i s'espera que aquesta tendència continue, traslladant cada any més població rural cap a les àrees urbanes. Aquest fenomen es deu principalment al desenvolupament econòmic que es genera a les ciutats. Aquestes condicions plantegen desafiaments importants per a les ciutats quant a la seua planificació i gestió. Si el creixement de la urbanització es gestiona adequadament pot contribuir al creixement sostenible, augmentant la productivitat i el nivell de vida de les persones. No obstant això, no es pot passar per alt que el creixement de les ciutats implica una afectació al medi ambient. Un dels problemes que més preocupació causa és l'expansió de les ciutats que substitueixen els espais verds i agrícoles que envolten a les ciutats per carrers i estructures impermeables. Aquest procés disminueix la capacitat del sòl per a absorbir l'aigua en un esdeveniment de pluja, incrementant l'escolament i el risc d'inundacions. Si a aquest problema particular de les ciutats, li sumem l'innegable canvi climàtic que augmenta la freqüència d'esdeveniments de pluges extremes en unes certes zones del planeta, l'adaptació de la infraestructura de les ciutats per a fer-les més segures és una necessitat imperiosa. Els sistemes de drenatge són infraestructures essencials, concebuts per a captar i transportar l'aigua producte de les precipitacions, el seu bon funcionament genera seguretat i benestar a les persones mentre que un funcionament inadequat s'associa al risc i a la vulnerabilitat. Sota escenaris de canvi climàtic aquestes estructures que van ser dissenyades per a cabals menors no garanteixen l'efectiva evacuació de les aigües, tornant a les ciutats vulnerables a les inundacions que poden generar pèrdues socials i econòmiques. Per a mitigar aquests impactes s'han desenvolupat diferents mesures com les denominades bones pràctiques de maneig o la instal·lació de sistemes de drenatge amb tecnologia de baix impacte, entre altres. No obstant això, aquestes mesures no són suficients per a controlar el cabal pique d'una pluja extrema. Adaptar la xarxa existent a les noves condicions climàtiques, es presenta com una alternativa idònia per al control de les inundacions en l'entorn urbà. Ampliar la capacitat de la xarxa canviant la grandària de les canonades per altres de major diàmetre ha sigut l'enfocament tradicional que s'ha vingut usant des de fa molts anys. La inclusió de tancs de tempesta en el sistema és una mesura que es va adoptar posteriorment per a dotar-lo de major resiliència als pics de pluges extremes. Desafortunadament la construcció d'aquestes estructures en l'entorn comporta una gran dificultat per la grandària de la intervenció, el temps i el cost. En aquest context, el present treball, presenta una nova manera de millorar les xarxes de drenatge combinant el canvi de canonades, la instal·lació de tancs de tempesta en la xarxa de drenatge i inclou també elements de control hidràulic en la xarxa de drenatge. Amb aquestes accions es considera que la rehabilitació de la xarxa serà més eficient en termes tècnics i econòmics. Per a aconseguir-ho, s'usa un model d'optimització creat a partir d'un algorisme genètic modificat connectat al model SWMM mitjançant una toolkit. El model d'optimització s'enfoca a minimitzar el cost de la infraestructura requerida i dels costos associats a les inundacions. Plantejat així el problema, es defineix una funció objectiu composta per funcions de cost que serà avaluada per a trobar les millors solucions. El desenvolupament de diferents passos per a l'obtenció d'una metodologia eficient, les estratègies per a reduir els temps de càlcul i l'esforç computacional, l'anàlisi econòmica de les inundacions i les estructures requerides es detalla en cada capítol d'aquesta tesi.[EN] Currently, most of the world's population lives in cities and this trend is expected to continue, moving more rural population to urban areas every year. This phenomenon is mainly due to the economic development that is generated in the cities. These conditions pose significant challenges for cities in terms of planning and management. If the growth of urbanization is properly managed, it can contribute to sustainable growth, increasing productivity and people's standard of living. However, it cannot be overlooked that the growth of cities implies an impact on the environment. One of the problems that causes the most concern is the expansion of cities that replace the green and agricultural spaces that surround the cities with streets and impermeable structures. This process decreases the capacity of the soil to absorb water in a rain event, increasing runoff and the risk of flooding. If adding to this problem of cities the undeniable climate change that increases the frequency of extreme rainfall events in certain areas of the planet, the adaptation of the infrastructure of cities to make them safer is an urgent need. Drainage systems are essential infrastructures, designed to capture and transport water produced by precipitation, their proper functioning generates security and wellness for people, while inadequate functioning is associated with risk and vulnerability. Under climate change scenarios, these structures, which were designed for lower flows, do not guarantee the effective evacuation of water, making cities vulnerable to floods that can generate social and economic losses. To mitigate these impacts, different measures have been developed, such as the so-called Best Management Practices or the installation of Low Impact Development etc. However, these measures are not enough to control the peak flow of extreme rainfall. Adapting the existing network to the new climatic conditions is presented as an ideal alternative for flood control in the urban environment. Expanding the capacity of the network by changing the size of the pipes for others with a larger diameter has been the traditional approach that has been used for many years. The inclusion of storm tanks in the system is a measure that was later adopted to provide it with greater resilience to extreme rainfall peaks. Unfortunately, the construction of these structures in the environment entails great difficulty due to the size of the intervention, the time, and the cost. In this context, the present work presents a novel way of improving drainage networks combining the replacement of pipes, the installation of storm tanks in the drainage network and also includes elements of hydraulic control in the drainage network. With these actions it is considered that the rehabilitation of the network will be more efficient in technical and economic terms. To achieve this, an optimization model created from a modified genetic algorithm connected to the SWMM model through a toolkit is used. The optimization model focuses on minimizing the cost of the required infrastructure and the costs associated with flooding. Posing the problem in this way, an objective function is defined composed of cost functions that will be evaluated to find the best solutions. The development of different steps to obtain an efficient methodology, the strategies to reduce calculation times and computational effort, the economic analysis of floods and the required structures are detailed in each chapter of this thesis.I want to mention the support for the realization of this thesis from the Program Fondecyt through Project No. 1210410 and Project No. 1180660 of the National Agency for Research and Development (ANID) of Chile. From the program PAID 12-21 of the Polytechnic University of Valencia and the program E+/EU Erasmus+ Traineeship.Bayas Jiménez, LA. (2023). Flood control in urban areas through the rehabilitation of drainage networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/199234Compendi

Uso de compuertas en redes de drenaje para reducir inundaciones

Las ciudades experimentan cada vez más inundaciones debido al cambio climático y al crecimiento poblacional. Como respuesta, la construcción de infraestructuras se plantea como una alternativa para hacer frente a estos eventos, aunque implica una inversión económica significativa que no todas las ciudades pueden afrontar. Como solución para controlar inundaciones de menor magnitud, se propone la instalación de compuertas en determinados pozos de registro. Estas compuertas permitirían retener temporalmente el agua de lluvia en áreas de la red con baja demanda durante eventos de precipitación, optimizando así la capacidad de la red de manera más eficiente. Para el análisis de hidrológico e hidráulico de la red se utiliza el modelo SWMM y, con la finalidad de mostrar las bondades del procedimiento, se presenta un caso de estudio. Los resultados muestran las ventajas de este procedimiento al incrementar la utilización de la capacidad disponible de la red para el almacenamiento de agua, eliminando la inundación de la red estudiada. De esta forma el objetivo de este trabajo es presentar una alternativa económica para la solución de inundaciones menores en las ciudades

Search Space Reduction for Genetic Algorithms Applied to Drainage Network Optimization Problems

In recent years, a significant increase in the number of extreme rains around the world has been observed, which has caused an overpressure of urban drainage networks. The lack of capacity to evacuate this excess water generates the need to rehabilitate drainage systems. There are different rehabilitation methodologies that have proven their validity; one of the most used is the heuristic approach. Within this approach, the use of genetic algorithms has stood out for its robustness and effectiveness. However, the problem to be overcome by this approach is the large space of solutions that algorithms must explore, affecting their efficiency. This work presents a method of search space reduction applied to the rehabilitation of drainage networks. The method is based on reducing the initially large search space to a smaller one that contains the optimal solution. Through iterative processes, the search space is gradually reduced to define the final region. The rehabilitation methodology contemplates the optimization of networks using the joint work of the installation of storm tanks, replacement of pipes, and implementation of hydraulic control elements. The optimization model presented uses a pseudo genetic algorithm connected to the SWMM model through a toolkit. Optimization problems consider a large number of decision variables, and could require a huge computational effort. For this reason, this work focuses on identifying the most promising region of the search space to contain the optimal solution and to improve the efficiency of the process. Finally, this method is applied in real networks to show its validity

Metodología de rehabilitación de redes de drenaje mediante la inclusión de elementos de control hidráulico

[ES] Un problema que preocupa a los gestores de los sistemas de drenaje es el incremento de eventos de lluvias extremas que cada vez se manifiestan con mayor frecuencia en diferentes lugares del mundo. Su ocurrencia produce sobrecarga hidráulica en el sistema de drenaje y en consecuencia inundaciones. Adaptar la infraestructura existente para que pueda soportar lluvias extremas sin generar consecuencias para sus habitantes se ha convertido en una necesidad para las ciudades. Este documento muestra una nueva forma de rehabilitar los sistemas de drenaje, utilizando para este objetivo una novedosa metodología que considera la inclusión de elementos de control hidráulico en la red, la instalación de tanques de tormenta en línea y la sustitución de tuberías. El análisis hidráulico de la red se realiza mediante el modelo Storm Water Management Model (SWMM) y para el proceso de optimización se usa con un algoritmo genético llamado Algoritmo Pseudo Genético. La inclusión de controles hidráulicos en la rehabilitación de redes de drenaje puede ser una alternativa para mejorar los niveles de inundación y a minimizar el tamaño de las estructuras de protección necesarias.Bayas-Jiménez, L.; Martínez-Solano, FJ.; Iglesias Rey, PL. (2020). Metodología de rehabilitación de redes de drenaje mediante la inclusión de elementos de control hidráulico. Universitat d Alacant. 863-871. http://hdl.handle.net/10251/178555S86387

Economic Analysis of Flood Risk Applied to the Rehabilitation of Drainage Networks

[EN] Over time, cities have grown developing various activities, and accumulating important eco-nomic assets. Floods are a problem that worries city administrators who seek to make them more resilient and safer. This increase in flood events is due to different causes, poor planning, population increase, aging of networks, etc. However, the two main causes for the increase in urban flooding are the increment in frequency of extreme rainfall generated mainly by climate change and the increase in urbanized areas in cities, which reduce green areas, decreasing the percentage of water that seeps naturally into the soil. As a contribution to solve these problems, the work presented shows a method to rehabilitate drainage networks that contemplates im-plementing different actions in the network: renovation of pipes, construction of storm tanks and installation of hydraulic controls. This work focuses on evaluating the flood risk in econom-ic terms. To achieve this, the expected annual damage from floods and the annual investments in infrastructure to control floods are estimated. These two terms are used to form an objective function to be minimized. To evaluate this objective function, an optimization model is present-ed that incorporates a genetic algorithm to find the best solutions to the problem; the hydraulic analysis of the network is performed with the SWMM model. This work also presents a strategy to reduce computation times by reducing the search space focused mainly on large networks. This is intended to show a complete and robust methodology that can be used by managers and administrators of drainage networks in cities.The APC was funded by the Universitat Politecnica de Valencia.Bayas-Jiménez, L.; Martínez-Solano, FJ.; Iglesias Rey, PL.; Boano, F. (2022). Economic Analysis of Flood Risk Applied to the Rehabilitation of Drainage Networks. Water. 14(18):1-20. https://doi.org/10.3390/w14182901120141

Inclusion of hydraulic controls in rehabilitation models of drainage networks to control floods.

[EN] A problem for drainage systems managers is the increase in extreme rain events that are increasing in various parts of the world. Their occurrence produces hydraulic overload in the drainage system and consequently floods. Adapting the existing infrastructure to be able to receive extreme rains without generating consequences for cities' inhabitants has become a necessity. This research shows a new way to improve drainage systems with minimal investment costs, using for this purpose a novel methodology that considers the inclusion of hydraulic control elements in the network, the installation of storm tanks and the replacement of pipes. The presented methodology uses the Storm Water Management Model for the hydraulic analysis of the network and a modified Genetic Algorithm to optimize the network. In this algorithm, called the Pseudo-Genetic Algorithm, the coding of the chromosomes is integral and has been used in previous studies of hydraulic optimization. This work evaluates the cost of the required infrastructure and the damage caused by floods to find the optimal solution. The main conclusion of this study is that the inclusion of hydraulic controls can reduce the cost of network rehabilitation and decrease flood levels.This research was funded by the Program Fondecyt Regular, grant number 1180660.Bayas-Jiménez, L.; Martínez-Solano, FJ.; Iglesias Rey, PL.; Mora-Melia, D.; Fuertes-Miquel, VS. (2021). Inclusion of hydraulic controls in rehabilitation models of drainage networks to control floods. Water. 13(4):1-18. https://doi.org/10.3390/w13040514S11813