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05/06/2022

Canal de Isabel II aplica los modelos matemáticos para mejorar la gestión de todas las fases en el Ciclo Integral del Agua



 
 
05 de junio, Día Mundial del Medio Ambiente
 
 

Canal de Isabel II gestiona el Ciclo Integral del Agua en la Comunidad de Madrid, desde el embalse y la captación, el posterior tratamiento y potabilización, la distribución y finalmente la depuración, regeneración y reutilización en algunos casos.
 
También, el drenaje urbano y el uso de tanques de tormenta, para evitar el vertido de esta agua a cauce, forman parte de esta gestión que realiza el organismo en toda la comunidad.
 

Dicha gestión lleva asociada cierta dificultad ya que algunos de estos procesos son complejos y difíciles de predecir como los procesos biológicos de las depuradoras de aguas residuales, la evolución de los tanques de tormenta, la calidad del agua en los depósitos, el funcionamiento de las potabilizadoras, etc.
 
Por este motivo Canal de Isabel II aplica cada vez más los modelos matemáticos a las distintas fases del ciclo del agua, modelos que en los últimos años han avanzado de forma significativa en sectores como el del tratamiento del agua, debido también a la reducción de los tiempos de computación.
 
Canal de Isabel II crea “gemelos digitales” de algunas de sus instalaciones o procesos, para poder simular los comportamientos de los mismos y poder anticiparse a los resultados y consecuencias.
 
Así, los modelos matemáticos ayudan a diario a Canal a tomar las mejores decisiones en sus infraestructuras y adaptar sus estrategias a los distintos escenarios desde la captación, potabilización, redes de abastecimiento, saneamiento y tratamiento de aguas residuales.
 


Matemáticas para garantizar la calidad del agua en la captación, tratamiento y potabilización

 
Actualmente, el agua que consumen los madrileños proviene al 90 % de embalses de la Comunidad Autónoma de Madrid.
 
Esta agua embalsada debe ser de buena calidad en su origen para que, una vez llegue a las estaciones de tratamiento de agua potable – ETAP, su tratamiento y potabilización resulte más fácil y económica.
 
Actualmente Canal de Isabel II lleva a cabo modelos matemáticos en 2D de toda su cuenca, donde simula condiciones de lluvia, vertidos, aportes contaminantes al embalse, etc., que le permiten anticiparse a empeoramientos en la calidad del agua que finalmente repercutan en el posterior tratamiento de la misma.
 
 
 
 
Estos modelos en 2D se basan en las ecuaciones de Navier-Stokes simplificadas para láminas de agua reducidas (ecuaciones de Saint Venant) que discretizan el terreno en millones de celdas a las que se aplican estas ecuaciones. Por otro lado, se modelizan las lluvias, los vertidos y los contaminantes reales, llegando a modelizar el transporte de los mismos en la cuenca y en el propio embalse, asegurando la calidad del agua acumulada.
 
Con agua de calidad acumulada en los embalses, es hora de tratarla y potabilizarla en la ETAP, donde también entran en juego de nuevo las matemáticas.
 
 
 
 
Procesos tan importantes en dicha potabilización, como la decantación, son analizados mediante modelos tridimensionales que analizan el recorrido del agua en el interior de los decantadores y prevén la calidad del agua de salida.
 
 
 
 
Estos modelos discretizan los decantadores en millones de elementos piramidales a los que se les aplican las ecuaciones y permiten proponer mejoras y cambios en los procesos que redundan en la mejora continua.
 


 

Modelización de los depósitos en 3D para estudiar su comportamiento

 
Una vez tratada el agua en las ETAP, es distribuida por la red que, gracias a una serie de tuberías y elementos, aseguran el abastecimiento manteniendo la calidad y la presión necesarias.
 
 
 
 
Los depósitos de agua forman parte de esta serie de elementos que son imprescindibles, ya que almacenan el agua justo antes de ser entregada en las acometidas de los usuarios finales.
 
 
 
 
Uno de los principales inconvenientes que presentan los depósitos de agua son las denominadas zonas muertas, donde el desinfectante pierde su eficacia reduciéndose en determinadas zonas la calidad del agua. Para evitar esta situación, se debe homogeneizar el flujo del agua en el interior de los mismos de la forma más efectiva posible.
 
Por este motivo, Canal de Isabel II utiliza una vez más las matemáticas modelando en 3D estos depósitos y simulando cómo se comporta el agua en su interior.
 
Recientemente, Canal ha analizado más de 30 depósitos y ha realizado un estudio en el mayor de los que gestiona, denominado El Goloso, con una capacidad de almacenamiento superior a los 500.000 metros cúbicos, estudiando las reacciones del agua dentro del mismo, para poder llevar a cabo una serie de mejoras necesarias.
 
 
 
 
Con los resultados del estudio, ha conseguido disminuir el tiempo de retención en los depósitos, realizando pequeñas mejoras constructivas que habían sido modeladas y simuladas previamente mediante las ecuaciones de Navier-Stokes.



El drenaje urbano y los tanques de tormentas también son simulados

 
En escenarios de fuertes lluvias en el interior de las ciudades, la modelización y la simulación matemática también pueden jugar un importante papel.  
Las ciudades están cada vez mejor preparadas para estos escenarios, contando con sistemas de drenajes urbanos y tanques de tormentas, pero a veces estos efectivos sistemas pueden ser insuficientes para acumular las enormes precipitaciones caídas. Por este motivo, poder simular los comportamientos de este tipo de infraestructuras ayuda a evitar evacuar aguas sucias al cauce.
 
 
 
 
En esta ocasión, Canal se basa en la física de partículas, aplicando las ecuaciones de Laticce-Boltzmann, que analizan los procesos complejos de los fenómenos atmosféricos a través de simulaciones dinámicas, ya que las olas de propagación de avenidas se producen en un tiempo muy reducido.
 
 
 
 
Si la red de drenaje no tiene capacidad suficiente, se pueden producir inundaciones que dificultan la actividad normal de las ciudades provocando daños, atascos, accidentes, etc. Por esta razón, Canal ha decidido también estudiarlas en detalle.
 
 
 
 
Este estudio se realiza mediante una simulación en 2D analizando las zonas que se inundarían y comprobando velocidades, callados, etc., para finalizar determinando de una manera precisa el daño potencial producido en las personas y las cosas. Gracias a ello, Canal puede proyectar nuevas infraestructuras o modificar las existentes, minimizando o eliminando por completo el impacto de una inundación.
 


La complejidad de la modelización y simulación en las EDAR

 
En las estaciones depuradoras de aguas residuales urbanas – EDAR se llevan a cabo procesos físicos, químicos y biológicos, procesos que ayudan a eliminar la contaminación de las aguas, para que puedan ser vertidas al cauce sin provocar problemas de salud.
 
De todos estos procesos, el biológico, concretamente, encierra una gran complejidad, que gracias a los modelos matemáticos se puede optimizar de forma clara. Canal cuenta con una gran cantidad de profesionales que se apoyan en estos modelos matemáticos para mejorar los distintos procesos de las plantas.
 
Dichos modelos le permiten simular distintos escenarios en las depuradoras de una manera virtual, sin comprometer los procesos, y así optimizar al máximo cada uno de ellos, para finalmente, realizar los ajustes necesarios.
 
 
 
 
Para llevar a cabo estas simulaciones, además de las ecuaciones completas de Navier-Stokes complementadas con modelos locales a base de las ecuaciones de Laticce-Boltzmann, hay que incluir diversos medios, puesto que en las EDAR hay que lidiar con agua, aire, elementos móviles, fango e incluso diferentes densidades de agua.
 


Conclusiones

 
Los simuladores basados en modelos matemáticos permiten a Canal de Isabel II reproducir los procesos que se llevan a cabo en el Ciclo Integral del Agua para poder mejorarlos y optimizarlos manteniendo el nivel de calidad en el servicio.
 
Las matemáticas en las que se basan estos modelos se han convertido en un gran aliado para lograr una mejor gestión de dicho Ciclo Integral del Agua.

 

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