Modelo de multicapas para la rehabilitación de sistemas de drenaje urbano: optimización multiobjetivo y computación en paralelo

A multi-tier model for the rehabilitation of urban drainage systems: multi-objective optimization and paralel computing

Este trabajo introduce un modelo multicapas para la Rehabilitación de Sistemas de Drenaje Urbano (RSDU). Un algoritmo de optimización multiobjetivo, utilizando algoritmos genéticos y empleando computación en paralelo, fue desarrollado para enfrentar problemas que son costosos en tiempo computacional. El estudio se plantea como un pro-blema de optimización limitado (debido a la escasez de recursos) en un contexto de decisión multi-criterio, involucrando varias partes en conflicto con diferentes intereses. El enfoque de “multicapas” consiste en usar varios niveles que corresponden a diferentes dimensiones (o sub-problemas) del problema total, efectuándose una evaluación del tiempo de ejecución basada en el número de procesadores. Los resultados muestran una prometedora y económica alternativa para problemas computacionalmente costosos, como es el drenaje urbano, usando optimización multi-objetivos. El tiempo de ejecución total se redujo en más del 60% de 12,8 a 4,8 horas, por lo que el método puede ser aplicado en países en desarrollo y en pequeñas oficinas de consultoría.

Introducción

Los sistemas de drenaje urbano (SDUs) se degradan con el tiempo debido a múltiples factores como el envejecimiento de las tuberías, el crecimiento poblacional, los cambios climáticos, etc.  La rehabilitación de este tipo de sistemas es una tarea muy compleja, con participación de un gran número de variables, consideraciones y limitaciones. Los encargados de adoptar decisiones tienen que invertir un presupuesto, usualmente limitado, tratando de maximizar los beneficios por cantidad monetaria invertida. Para ello, se deben desarrollar herramientas de optimización que sean eficientes en convergencia y tiempo computacional.

La rehabilitación de los SDUs es un proceso que involucra múltiples criterios, requiriéndose del uso de enfoques multiobjetivo. Sin embargo, debido a la complejidad de dichos sistemas, varios problemas deben ser abordados durante este proceso, por ejemplo, la selección del modelo hidráulico es una cuestión importante. Los modelos de una dimensión son utilizados con frecuencia; estos se comportan bien para las tuberías enterradas del sistema mas no así para el sistema de drenaje superficial, donde lo que domina realmente es el comportamiento en dos dimensiones para la determinación de las áreas de inundación.

El uso de la optimización multiobjetivo en el drenaje urbano no está muy difundido y/o documentado. La mayor parte del trabajo que se ha realizado en este ámbito es en redes de distribución de agua potable con optimización de un solo criterio, como se puede apreciar en Dandy et al (1996), (2001); Savic y Walters (1997); Abebe y Solomatine, (1998). Sobre problemas de objetivos múltiples Prasad y Park (2004); Kapelan et al, (2006) abordan someramente el problema. Estas experiencias han demostrado la capacidad de los algoritmos genéticos (AGs), agrupamiento-adaptación-cubrimiento (ACCO) y otros algoritmos de búsqueda aleatoria para resolver problemas de optimización en redes de tuberías. Sin embargo, existen pocas aplicaciones sobre los sistemas de drenaje urbano, usando las ecuaciones completas hidrodinámicas o ecuaciones de Saint Vennant (Dorn y Ranjithan 2004; Barreto et al 2006). La ausencia de dichas aplicaciones se debe probablemente a la complejidad de las ecuaciones a resolver; éstas requieren de soluciones numéricas mediante diferencias finitas y, por ende, requieren de mayor tiempo computacional.