PROPUESTA PARA LA TRANSICIÓN DE UN SISTEMA CON SUMINISTRO DE AGUA INTERMITENTE A SUMINISTRO CONTINUO

[EN] Increasing water demand due to population growth, reduction of available water resources due to pollution and climate change effects, which, in turn, increase the severity of external events, and poor management of water supply systems threaten the continuity of drinkable water supply. When a scenario under these conditions is set, water supply companies opt for intermittent supply and thus deliver water to users for just few hours during the day. However, intermittent water supply must be the last resort under water scarcity conditions mainly due to: damage caused to the system infrastructure, health risks, and supply equity impairment. Nevertheless, it is a fact that intermittent supply still remains a manner of water supply for millions of people around the world, mainly in developing countries. One third of Africa and Latin America population and more than a half of Asia's have intermittent water supply. In the literature, there are two approaches to face intermittent supply related problems. The first one looks for continuous supply by improving the infrastructure and by increasing the amount of water at the supply sources. The second one, based on the recognition of the intermittent supply as a reality, tries to improve management of intermittent supply systems. The first point of view, which focus upon reaching continuous supply, can, in turn, be subdivided into two: a direct way, which may be possible when enough resources are available to improve the infrastructure and increase water sources capacity within the short term; and, alternatively, a gradual transition, which considers the economic scarcity of the operator to reach continuous supply in a planned way in the medium term. Operators in systems with economic scarcity can hardly afford a direct transition due to economic limitations. Thus, other more feasible strategies must be considered and studied. In this thesis, we propose a transition from intermittent to continuous supply based on complementary conditions of both points of view mentioned before, and by incorporating the term gradual transition, under the following considerations: First, we look for improving the equity supply. Therefore, technical management, sectorization, system capacity analysis, and supply schedule management measures are set up strongly regarding intermittent supply conditions and, consequently, recognizing intermittent supply as a reality. Later, measures must be focused on the gradual transition itself. Consequently, intermittent supply sectors are selected to become continuous. Sector selection considers several criteria preserving equity in current intermittent sectors. By using this procedure, we show that a planned and agreed transition that considers the operator's economic limitations is possible. Incidentally, the development of these tools enables us to trace back and evaluate the origin of an intermittent water supply system. Although this thesis mainly focuses on systems with economic scarcity and poor management, our proposals can also be useful for better management of systems with water scarcity.[ES] El aumento de la demanda de agua por el incremento de la población; la reducción en la disponibilidad de recursos hídricos debido a la contaminación y efectos del cambio climático, que aumenta la severidad de los eventos extremos; y las deficiencias en la gestión de los sistemas de abastecimiento de agua ponen en riesgo la continuidad del suministro de agua potable. Estas condiciones, imponen un escenario propicio para que las empresas de agua opten por tener un suministro intermitente, proporcionando agua a la población únicamente por algunas horas al día. Aunque el suministro intermitente debe ser la última medida a tomar en condiciones de escasez de agua, principalmente debido a: los daños que causa a la infraestructura del sistema, el riesgo a la salud que conlleva y los problemas de equidad en el suministro de agua; aún continua siendo la forma de acceso al agua para millones de personas alrededor del mundo, principalmente en países en vías de desarrollo. Una tercera parte de África y Latinoamérica y más de la mitad de la población de Asia tienen suministro intermitente. Dentro la bibliografía, existen dos enfoques para afrontar los problemas relacionados con el suministro intermitente: el primero busca llegar a un suministro de 24 horas mejorando la infraestructura e incrementando la cantidad de agua en las fuentes de suministro; el segundo enfoque considera al sistema intermitente como una realidad, de esta forma las soluciones planteadas buscan la mejora de la gestión del sistema trabajando como intermitente. A su vez, el primer enfoque puede ser dividido en dos: llegar al suministro continuo de forma directa, situación que puede darse cuando existen los recursos suficientes para mejorar la infraestructura y ampliar la capacidad de las fuentes de suministro a corto plazo; y alternativamente se tiene una transición gradual, que considera la escasez económica del operador, de tal forma que se logre un suministro por 24 horas de forma planificada a mediano plazo. Un operador de un sistema de agua con escasez económica, difícilmente puede optar por una transición directa, precisamente por las limitaciones económicas, por lo que deben buscarse y analizarse otro tipo de estrategias más rentables. En el presente trabajo se propone una transición de suministro intermitente a continuo, en base a la complementación de los dos enfoques mencionados anteriormente, incorporando el término de transición gradual, con las siguientes consideraciones: En primera instancia, se busca mejorar la equidad del suministro, por lo que se plantean medidas de gestión técnica, sectorización, análisis de la capacidad del sistema y gestión de horarios de suministro; enfocados a las condiciones que se dan en un suministro intermitente, esto implica su aceptación como una realidad. Posteriormente, las acciones deben ir dirigidas a realizar la transición gradual en sí; por lo que se seleccionarán las zonas o sectores que tendrán suministro por 24 horas, la selección debe considerar varios criterios que permitan mantener la equidad entre los sectores todavía intermitentes. Este procedimiento permitirá elaborar una transición planificada y ajustada a las limitaciones económicas del operador. El desarrollo de estas herramientas, también permite evaluar el origen de los sistemas con suministro intermitente. Aunque, el presente trabajo se centra en sistemas con escasez económica y con mala gestión, las propuestas planteadas también pueden ser útiles para una mejor gestión de los sistemas con escasez física de agua.[CA] L'augment de la demanda d'aigua per l'increment de la població; la reducció en la disponibilitat de recursos hídrics a causa de la contaminació i efectes del canvi climàtic, que augmenta la severitat dels esdeveniments extrems; i les deficiències en la gestió dels sistemes d'abastament d'aigua posen en risc la continuïtat del subministrament d'aigua potable. Aquestes condicions, imposen un escenari propici perquè les empreses d'aigua opten per tenir un subministrament intermitent, proporcionant aigua a la població únicament per algunes hores al dia. Encara que el subministrament intermitent ha de ser l'última mesura a prendre en condicions d'escassetat d'aigua, principalment a causa de: els danys que causa a la infraestructura del sistema, el risc a la salut que comporta i els problemes d'equitat en el subministrament d'aigua; encara contínua sent la forma d'accés a l'aigua per a milions de persones al voltant del món, principalment en països en vies de desenvolupament. Una tercera part d'Àfrica i Llatinoamèrica i més de la meitat de la població d'Àsia tenen subministrament intermitent. Dins les referències bibliogràfiques, existeixen dos enfocaments per a afrontar els problemes relacionats amb el subministrament intermitent: el primer cerca arribar a un subministrament de 24 hores millorant la infraestructura i incrementant la quantitat d'aigua en les fonts de subministrament; el segon enfocament considera al sistema intermitent com una realitat, d'aquesta forma les solucions plantejades cerquen la millora de la gestió del sistema treballant com a intermitent. Al seu torn, el primer enfocament pot ser dividit en dos: arribar al subministrament continu de forma directa, situació que pot donar-se quan existeixen els recursos suficients per a millorar la infraestructura i ampliar la capacitat de les fonts de subministrament a curt termini; i alternativament es té una transició gradual, que considera l'escassetat econòmica de l'operador, de tal forma que s'aconsegueix un subministrament per 24 hores de forma planificada a mig termini. Un operador d'un sistema d'aigua amb escassetat econòmica, difícilment pot optar per una transició directa, precisament per les limitacions econòmiques, per la qual cosa han de cercar-se i analitzar-se un altre tipus d'estratègies més rendibles. En el present treball es proposa una transició de subministrament intermitent a continu, sobre la base de la complementació dels dos enfocaments esmentats anteriorment, incorporant el terme de transició gradual, amb les següents consideracions: En primera instància, se cerca millorar l'equitat del subministrament, per la qual cosa es plantegen mesures de gestió tècnica, sectorització, anàlisi de la capacitat del sistema i gestió d'horaris de subministrament; enfocats a les condicions que es donen en un subministrament intermitent, açò implica la seua acceptació com una realitat. Posteriorment, les accions han d'anar dirigides a realitzar la transició gradual en si; pel que se seleccionaran les zones o sectors que tindran subministrament per 24 hores, la selecció ha de considerar diversos criteris que permeten mantenir l'equitat entre els sectors encara intermitents. Aquest procediment permetrà elaborar una transició planificada i ajustada a les limitacions econòmiques de l'operador. El desenvolupament d'aquestes eines, també permet avaluar l'origen dels sistemes amb subministrament intermitent. Encara que, el present treball se centra en sistemes amb escassetat econòmica i amb mala gestió, les propostes plantejades també poden ser útils per a una millor gestió dels sistemes amb escassetat física d'aigua.Ilaya Ayza, AE. (2016). PROPUESTA PARA LA TRANSICIÓN DE UN SISTEMA CON SUMINISTRO DE AGUA INTERMITENTE A SUMINISTRO CONTINUO [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/67931TESI

Metodología para la gestion de horarios de suministro en sistemas de abastecimiento intermitente, caso de estudio: zona sur de la ciudad de Oruro (Bolivia)

[EN] Currently, intermittent supply is how millions of people get access to water worldwide. Some researchers suggest that the increasing water scarcity due to climate change and the enlarged demand by the growing number of people can lead to the more frequently use of intermittent supply. Because of having more control over the amount of water distributed, water service companies often resort to establish water supply schedules neglecting hydraulic criteria and considering only the number of supply hours and flows or water volume available. Thus, the system is demanded by high consumption hours with much larger flows than peaking demand in a continuous system. A logical answer to this problem is to reduce peak flows being able to modify the flow-supply curve based on the change of water supply schedules of each sector. The ideal situation in an intermittent supply system would be the one in which peak consumption minimizes. This study proposes an alternative solution for the technical management of intermittent supply systems. It provides short-term results and requires little investment to be achieved. Nevertheless, to perpetuate the intermittent supply system is not the goal but this methodology can be a useful tool in a gradual transition from an intermittent supply to a continuous supply. For the selection of the sectors that will change their schedules to be considered hydraulic conditions and network operations. For this purpose, multicriteria decision techniques (AHP) will be used, so that optimization of supply schedules using linear programming can be achieved. The hydraulic calculation is performed with an analysis of Pressure Dependent Demand.[ES] Actualmente, el suministro por horas es la forma de acceso al agua para millones de personas en el mundo. Algunos investigadores sugieren que la creciente escasez de agua debido al cambio climático y el aumento de la demanda por el incremento de la población pueden llevar a que el uso de suministro intermitente sea más frecuente. Debido a la idea de lograr mayor control sobre la cantidad de agua que se distribuye, las empresas de agua muchas veces recurren a establecer horarios de suministro con poco criterio hidráulico, considerando solamente la cantidad de horas de suministro y caudales o volúmenes disponibles, de esta forma se tienen horarios de gran consumo con caudales mucho más grandes que los demandados en horas pico de los sistemas continuos. Una respuesta lógica a esta problemática es reducir los caudales punta, aprovechando la posibilidad de modificación de la curva de oferta de caudal en base al cambio de horarios de suministro de cada uno de los sectores, la situación de suministro ideal en un sistema intermitente sería aquella en la que se reduzcan al mínimo los picos de consumo. El presente trabajo aporta con una propuesta de solución para la gestión técnica de los sistemas de suministro intermitente, la cual proporcionará resultados a corto plazo y que requiere de poca inversión para su logro. No se busca perpetuar el sistema de suministro intermitente por el contrario la presente metodología puede ser una herramienta muy útil en la transición gradual de un sistema intermitente a uno continuo. Para la selección de los sectores que modificarán sus horarios deben considerarse condiciones hidráulicas y de operaciones de la red, con este fin se utilizarán técnicas de decisión multicriterio (AHP), para posteriormente realizar la optimización de los horarios de suministro utilizando programación lineal. El cálculo hidráulico fue realizado con un análisis de demanda dependiente de la presión. Currently, intermittent supply is how millions of people get access to water worldwideIlaya Ayza, AE. (2014). Metodología para la gestion de horarios de suministro en sistemas de abastecimiento intermitente, caso de estudio: zona sur de la ciudad de Oruro (Bolivia). http://hdl.handle.net/10251/47464Archivo delegad

Multi-criteria optimization of supply schedules in intermittent water supply systems

[EN] One of the problems for water supply systems with intermittent supply is the peak flow produced at some hours of the day, which is usually much larger than that in a system with continuous supply. The main consequence is the reduction of pressure and flow at the ends or highest points of the system network. This, in turn, generates inequity in water supply and complaints from users. To reduce the peak flow, some sectors of the system must be assigned a different supply schedule. As a result, the supply curve is modified, and the peak flow is reduced. This reorganization seeks some optimal allocation schedule and must be based on various quantitative and qualitative technical criteria. This paper hybridizes integer linear programming and multi-criteria analysis to contribute with a solution proposal to the technical management of intermittent water supply systems, which provides short-term results and requires little investment for implementation. This solution does not seek perpetuating intermittent water supply. On the contrary, this methodology can be a useful tool in gradual transition processes from intermittent to continuous supply. (C) 2016 Elsevier B.V. All rights reserved.Ilaya-Ayza, AE.; Benítez López, J.; Izquierdo Sebastián, J.; Pérez García, R. (2017). Multi-criteria optimization of supply schedules in intermittent water supply systems. Journal of Computational and Applied Mathematics. 309:695-703. doi:10.1016/j.cam.2016.05.009S69570330

Network Capacity Assessment and Increase in Systems with Intermittent Water Supply

[EN] Water supply systems have been facing many challenges in recent decades due to the potential effects of climate change and rapid population growth. Water systems need to expand because of demographic growth. Therefore, evaluating and increasing system capacity is crucial. Specifically, we analyze network capacity as one of the main features of a system. When the network capacity starts to decrease, there is a risk that continuous supply will become intermittent. This paper discusses how network expansion carried out throughout the network life span typically reduces network capacity, thus transforming a system originally designed to work with continuous supply into a system with intermittent supply. A method is proposed to expand the network capacity in an environment of economic scarcity through a greedy algorithm that enables the definition of a schedule for pipe modification stages, and thus efficiently expands the network capacity. This method is, at the same time, an important step in the process of changing a water system from intermittent back to continuous supply an achievement that remains one of the main challenges related to water and health in developing countries.Ilaya-Ayza, AE.; Campbell-Gonzalez, E.; Pérez García, R.; Izquierdo Sebastián, J. (2016). Network Capacity Assessment and Increase in Systems with Intermittent Water Supply. Water. 8(4):1-17. doi:10.3390/w8040126S1178

Implementation of DMAs in Intermittent Water Supply Networks Based on Equity Criteria

[EN] Intermittent supply is a common way of delivering water in many developing countries. Limitations on water and economic resources, in addition to poor management and population growth, limit the possibilities of delivering water 24 h a day. Intermittent water supply networks are usually designed and managed in an empirical manner, or using tools and criteria devised for continuous supply systems, and this approach can produce supply inequity. In this paper, an approach based on the hydraulic capacity concept, which uses soft computing tools of graph theory and cluster analysis, is developed to define sectors, also called district metered areas (DMAs), to produce an equitable water supply. Moreover, this approach helps determine the supply time for each sector, which depends on each sector¿s hydraulic characteristics. This process also includes the opinions of water company experts, the individuals who are best acquainted with the intricacies of the network.Ilaya-Ayza, AE.; Martins-Alves, C.; Campbell-Gonzalez, E.; Izquierdo Sebastián, J. (2017). Implementation of DMAs in Intermittent Water Supply Networks Based on Equity Criteria. Water. 9(11):1-20. doi:10.3390/w9110851S12091

Consistent Clustering of Elements in Large Pairwise Comparison Matrices

[EN] In multi-attribute decision making the number of decision elements under consideration may be huge, especially for complex, real-world problems. Typically these elements are clustered and then the clusters organized hierarchically to reduce the number of elements to be simultaneously handled. These decomposition methodologies are intended to bring the problem within the cognitive ability of decision makers. However, such methodologies have disadvantages, and it may happen that such a priori clustering is not clear, and/or the problem has previously been addressed without any grouping action. This is the situation for the case study we address, in which a panel of experts gives opinions about the operation of 15 previously established district metered areas in a real water distribution system. Large pairwise comparison matrices may also be found when building comparisons of elements using large bodies of information. In this paper, we address a consistent compression of an AHP comparison matrix that collapses the judgments corresponding to a given number of compared elements. As a result, an a posteriori clustering of various elements becomes possible. In our case study, such a clustering offers several added benefits, including the identification of hidden or unknown criteria to cluster the considered elements of the problem. (C) 2018 Elsevier B.V. All rights reserved.Benítez López, J.; Carpitella, S.; Certa, A.; Ilaya-Ayza, AE.; Izquierdo Sebastián, J. (2018). Consistent Clustering of Elements in Large Pairwise Comparison Matrices. Journal of Computational and Applied Mathematics. 343:98-112. https://doi.org/10.1016/j.cam.2018.04.041S9811234

Sectorization of Supply Networks Through the Implementation of Self Organized Maps

[EN] Water supply systems (SAAPs) are critical infrastructures for the operation of any city; hence, that its proper management is an aspect to which particular attention must be paid. The sectorization of the SAAPs has emerged as an operational alternative that helps the water management facilities in this task. The design of sectors involves the solution of an optimization problem with multiple objectives, such as investment (in purchase of valves and meters), leak detection capacity and reliability of network operation, among others. Taking this into account, this paper presents an innovative sectorization methodology based on the use of self-organized maps, heuristic optimization, and operational criteria. Self-organized maps, applied to complex networks, allow grouping by recognizing different patterns. Thus, the methodology proposed is based on the application of self-organized maps to define the sectors based on the information stored in the nodes of the network. Next, the optimization of the inputs of the sectors is executed, counting for this with the configuration of the previously obtained sectors. Finally, for the optimization of the feeding points of the established hydrometric sectors, in this work the minimization of implementation costs and the minimization of the loss of hydraulic capacity of the network are considered as objectives.[ES] Los sistemas de abastecimiento de agua potable (SAAPs) son infraestructuras críticas para el funcionamiento de cualquier ciudad; de ahí, que su correcta gestión sea un aspecto al que haya que prestar particular atención. La sectorización de los SAAPs ha surgido como una alternativa operacional que ayuda a los organismos gestores de agua en dicha tarea. El diseño de sectores implica la solución de un problema de optimización con múltiples objetivos, tales como la inversión (en compra de válvulas y contadores), la capacidad de detección de fugas y la fiabilidad de la operación de la red, entre otros. Tomando en cuenta esto, en este trabajo se presenta una innovadora metodología de sectorización basada en el uso de mapas auto organizados, optimización heurística, y criterios operacionales. Los mapas auto organizados, aplicados a redes complejas, permiten el agrupamiento mediante el reconocimiento de diferentes patrones. Así, la metodología que se propone se basa en la aplicación de mapas auto organizados para definir los sectores con base en la información almacenada en los nodos de la red. A continuación, se ejecuta la optimización de las entradas de los sectores, contando para esto con la configuración de los sectores anteriormente obtenida. Finalmente, para la optimización final de los puntos de alimentación de los sectores hidrométricos establecidos, en este trabajo se consideran como objetivos la minimización de costos de implementación y la minimización de la pérdida de capacidad hidráulica de la redMartins-Alves, C.; Campbell, E.; Ilaya-Ayza, AE.; Brentan, B.; Izquierdo Sebastián, J. (2018). Sectorización de redes de abastecimiento mediante la implementación de mapas auto organizados. Social Science Research Network. 1-8. https://doi.org/10.2139/ssrn.3113723S1

A Flexible Methodology to Sectorize Water Supply Networks Based on Social Network Theory Concepts and on Multi-objective Optimization

A novel methodology to sectorize water supply networks (WSNs) depending on a main transmission line is presented in this paper. The methodology is based on concepts derived from the social network theory and graph theory (namely, community detection and shortest path respectively); and also on a multi-objective optimization process by means of agent swarm optimization (ASO). A series of energy, operative, and economic criteria are optimized in this process. The core idea is to form sectors over the distribution network based on communities found using a community detection algorithm (Walktrap). The methodology is flexible and enables the technical staff in water utilities to make decisions at different stages. It has been tested by generating four feasible solutions over a portion of a real WSN.Campbell-Gonzalez, E.; Izquierdo Sebastián, J.; Montalvo Arango, I.; Ilaya-Ayza, AE.; Pérez García, R.; Tavera, M. (2016). A Flexible Methodology to Sectorize Water Supply Networks Based on Social Network Theory Concepts and on Multi-objective Optimization. Journal of Hydroinformatics. 18(1):62-76. doi:10.2166/hydro.2015.146S627618

El Caudal Máximo Teórico en Redes y su Relación con el Índice de Resiliencia

[ES] A pesar de existir diversos indicadores en el funcionamiento de los sistemas de abastecimiento de agua potable, ninguno especifica de forma explícita cuál es la capacidad hidráulica de las redes de distribución. El caudal máximo teórico se define como el gasto máximo que puede aportar una red garantizando las presiones mínimas de servicio en los nodos de consumo más desfavorables. En este trabajo, se presenta su forma práctica de obtención para redes existentes y se analiza la aplicación de éste como indicador de la capacidad de las redes de distribución, además de su comparación con respecto al Índice de Resiliencia, otro indicador indirecto del funcionamiento de las redes de distribución de agua potable. La metodología aplicada consiste en obtener y comparar los indicadores en tres redes de prueba obtenidas a través de la literatura. Los resultados obtenidos demuestran que el caudal máximo teórico es un buen indicador de la capacidad máxima de funcionamiento de las redes de abastecimiento de agua existentes.Martins Alves, C.; Ilaya-Ayza, AE.; Campbell, E.; Izquierdo Sebastián, J. (2017). El Caudal Máximo Teórico en Redes y su Relación con el Índice de Resiliencia. International Center for Numerical Methods in Engineering (CIMNE). 1606-1617. http://hdl.handle.net/10251/179969S1606161

The issues of intermittent water supply. a general overview

[EN] Water scarcity should not only be taken into account in its physical sense, but it should also be consideredin teh economic and poor management sense. This scenario provokes the application of intermittent water supply systems with less than 24 hours of service. In this papaer we study the problems of the use of this kind of systemes, analyzing the disadvantaes and advantages of this form of supply. Possible solutions are proposed in base of characteristics of the system, and the hydraulic approach that should be taken for intermitent working networks[ES] La escasez del agua no solamente tiene un sentido físico, también se puede hablar de escasez económica del agua y de escasez debida a una mala gestión de los sistemas de suministro, este tipo de escenarios dan lugar a los sistemas de suministro intermitentes, aquellos en los cuales se tienen periodos de suministro menores a las 24 horas. En el presente artículo se analiza la problemática de este tipo de sistemas, desde los inconvenientes y ventajas que puede tener esta forma de suministro, las medidas de solución que deberían tomarse en función de las características del sistema y el tratamiento hidráulico que se debe dar a las redes que trabajan de forma intermitente.S3139