⚡ electrical engineering

Hydraulic Modelling of Water Distribution System in Response to Different Scenarios: A Case of Adigrat Town, Ethiopia

Este estudio utiliza el modelado hidráulico con Bentley WaterGEMS para diagnosticar deficiencias de presión y velocidad en el sistema de distribución de agua de la ciudad de Adigrat, demostrando que las mejoras de infraestructura focalizadas y las estrategias de gestión de presión restauran eficazmente la confiabilidad del servicio para cumplir con los criterios de diseño.

Autores originales: Kiros Aregawi, Beshah Megosse

Publicado 2026-07-30

📖 3 min de lectura☕ Lectura para el café

CC BY 4.0

Autores originales: Kiros Aregawi, Beshah Megosse

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina el sistema de suministro de agua de una ciudad como un gigantesco e invisible sistema circulatorio, muy parecido a las venas y arterias de un cuerpo humano. Así como tu corazón bombea sangre a cada dedo de las manos y de los pies, una empresa de servicios de agua bombea oro líquido a través de un laberinto de tuberías en expansión hacia cada hogar, escuela y tienda. Pero a diferencia de tu cuerpo, que se cura a sí mismo, estas tuberías son viejas, a menudo están enterradas bajo tierra y están constantemente bajo estrés debido al crecimiento de la población de la ciudad. Cuando la demanda aumenta —como durante una tarde calurosa de verano cuando todos abren sus grifos— el sistema puede obstruirse, la presión puede caer o las tuberías pueden estallar. Este es el mundo del modelado hidráulico, una rama de la ingeniería que utiliza potentes simulaciones por computadora para actuar como un "gemelo digital" de una red de agua real. Los ingenieros introducen datos sobre el tamaño de las tuberías, las elevaciones y el uso de agua en un software para ver cómo se comporta el sistema bajo estrés, permitiéndoles detectar puntos problemáticos antes de que se conviertan en grifos secos o calles inundadas.

En este estudio, los investigadores Kiros Aregawi y el Dr. Beshah Megosse analizaron de cerca el sistema de distribución de agua en la ciudad de Adigrat, Etiopía. Trataron la red de la ciudad como un rompecabezas complejo, utilizando un sofisticado software llamado WaterGEMS para construir una réplica virtual de las tuberías reales. Su objetivo era ver cómo resistía el sistema bajo diferentes escenarios, particularmente cuando la población de la ciudad crecía rápidamente y la demanda de agua era alta. No se limitaron a suponer; calibraron su modelo digital utilizando lecturas de presión reales tomadas en cinco puntos específicos de la ciudad, asegurando que su simulación por computadora coincidiera con la realidad con alta precisión. Los resultados revelaron que el sistema existente estaba luchando: durante las horas pico, más de un tercio de los puntos de conexión (nodos) no tenían suficiente presión para empujar el agua hacia los hogares, y casi una quinta parte de las tuberías fluían demasiado lento (con riesgo de acumulación de sedimentos) o demasiado rápido (con riesgo de daños). Además, el sistema perdía casi un 29% de su agua debido a fugas y otras ineficiencias. Sin embargo, el estudio no solo señaló los problemas; también simuló un escenario de "reparación". Al actualizar virtualmente el tamaño de las tuberías e instalar válvulas reguladoras de presión, los investigadores demostraron que la red podía optimizarse para cumplir con los estándares de seguridad sin necesidad de ser reemplazada por completo, demostrando que las mejoras inteligentes y dirigidas pueden dar nueva vida a una red de agua envejecida.

Resumen Técnico: Modelado Hidráulico de un Sistema de Distribución de Agua en Respuesta a Diferentes Escenarios: Un Caso de la Ciudad de Adigrat, Etiopía

Planteamiento del Problema
El sistema de distribución de agua (SDA) en la ciudad de Adigrat, Etiopía, enfrenta desafíos críticos impulsados por la rápida urbanización, el crecimiento poblacional descontrolado y la infraestructura envejecida. El sistema existente, diseñado originalmente con supuestos específicos, es cada vez más incapaz de satisfacer las crecientes demandas de agua, lo que provoca una escasez persistente en el suministro y una reducción de la confiabilidad del servicio. Los problemas clave incluyen niveles de presión inadecuados, prácticas operativas ineficientes y pérdidas significativas de agua no facturada. Además, las evaluaciones previas se han basado mayoritariamente en escenarios de demanda única, sin lograr capturar la variabilidad hidráulica bajo diferentes condiciones operativas. La falta de una evaluación hidráulica integral basada en escenarios impide el desarrollo de estrategias efectivas de rehabilitación y gestión para esta área urbana en rápido crecimiento.

Metodología
Este estudio empleó el modelado hidráulico utilizando el software Bentley WaterGEMS V8i para evaluar el SDA existente bajo variaciones de escenarios de demanda. La metodología siguió un flujo de trabajo estructurado:

Recopilación y Preparación de Datos: La investigación utilizó datos de red basados en SIG, observaciones de campo y registros operativos (julio de 2017 – junio de 2018) de la oficina de Suministro de Agua y Alcantarillado de la Ciudad de Adigrat. Los datos incluyeron características de las tuberías (material, diámetro), elevaciones de uniones, niveles de reservorios y definiciones de bombas. Las proyecciones de población se calcularon utilizando el método de la Agencia Central de Estadística (CSA) con una tasa de crecimiento anual del 4.18%.
Desarrollo y Calibración del Modelo: Se construyó un modelo hidráulico superponiendo mapas de uso de suelo con el trazado de la red. El modelo fue calibrado mediante mediciones de presión de campo tomadas en cinco uniones representativas en zonas de baja, media y alta presión. El desempeño de la calibración se evaluó utilizando el coeficiente de determinación ( $R^2$ ) y el grado de precisión (error de presión).
Análisis de Escenarios: El estudio simuló el sistema bajo condiciones de demanda diaria promedio y demanda horaria pico. Se analizaron los parámetros hidráulicos clave, incluyendo presión, velocidad de flujo y pérdida de carga, frente a criterios de diseño estándar (por ejemplo, presión mínima de 10–20 m, presión máxima de 70 m y límites de velocidad de 0.3–3.0 m/s).
Optimización: Para abordar las deficiencias identificadas, se utilizó la herramienta de optimización Darwin Designer dentro de WaterGEMS para evaluar alternativas de mejora, enfocándose específicamente en la actualización del diámetro de las tuberías y la instalación de Válvulas Reductoras de Presión (PRV).

Resultos Clave
El análisis hidráulico reveló brechas de desempeño significativas en el SDA de Adigrat existente:

Pérdidas del Sistema: El sistema exhibió una pérdida total de agua del 28.8%, atribuida a fugas físicas y pérdidas aparentes como imprecisiones en los medidores y uso no autorizado.
Deficiencias de Presión: Durante las horas de demanda máxima, el 37.41% (107 de 286) de las uniones de la red no cumplieron con los requisitos de presión mínima. Por el contrario, durante las horas de bajo consumo, el 14.34% de las uniones experimentaron una presión excesiva (>70 m), particularmente en áreas con topografía compleja y un diseño original deficiente.
Problemas de Velocidad: Bajo demanda máxima, el 20.16% de las 352 tuberías operaron fuera de los límites de velocidad recomendados. Mientras que el 0.28% excedió el límite máximo de 3.0 m/s, una parte significativa (19.88%) operó por debajo del mínimo de 0.30 m/s, lo que plantea riesgos de deposición de sedimentos y degradación de la calidad del agua.
Precisión de la Calibración: El modelo demostró una alta confiabilidad, logrando un coeficiente de determinación ( $R^2$ ) de 0.9897 entre las presiones observadas y simuladas. El error de presión promedio fue de -1.45 m, situándose dentro del rango aceptable de ±1.5 m para conjuntos de datos buenos.
Brecha de Oferta-Demanda: Un análisis cuantitativo indicó un déficit diario de suministro de aproximadamente 2,265 m³/día entre la capacidad de producción actual (3,845.7 m³/día) y la demanda diaria promedio proyectada (6,111.02 m³/día) para 2018.

Significancia y Contribuciones
El artículo postula que el modelado hidráulico sirve como una herramienta crítica de soporte para la toma de decisiones para las empresas de servicios de agua urbanos que enfrentan un crecimiento rápido y estrés en la infraestructura. Al ir más allá de las evaluaciones de escenario único, este estudio proporciona una base técnica robusta para comprender el comportamiento del sistema bajo condiciones dinámicas.

La contribución principal es la identificación de deficiencias hidráulicas específicas —a saber, déficits de presión y anomalías de velocidad— que comprometen la confiabilidad del servicio. El estudio demuestra que las medidas de rehabilitación focalizadas, tales como la optimización del diámetro de las tuberías y la gestión de la presión mediante PRV, pueden mejorar significativamente el desempeño del sistema sin necesidad de un reemplazo completo de la red. Los hallazgos ofrecen un marco práctico para que las empresas de agua prioricen las inversiones en infraestructura y mejoren la eficiencia operativa, apoyando así la sostenibilidad de los servicios de suministro de agua en ciudades etíopes en rápida expansión.

Limitaciones
Los autores reconocen que el estudio se limitó al desempeño hidráulico y no incorporó el análisis de la calidad del agua, la localización específica de fugas, las tasas de deterioro de las tuberías o las métricas de consumo de energía, ni los impactos futuros del cambio climático. Además, la calibración del modelo se vio limitada por la disponibilidad de manómetros, restringiendo el número de puntos de calibración a cinco uniones. Se recomienda que investigaciones futuras integren estos factores para una evaluación más exhaustiva del sistema.

Más como este