Valor de doble uso del particionamiento de red para la gestión del sistema de agua y protección contra la contaminación maliciosa Armando Di Nardo, Michele Di Natale, Dino Musmarra, Giovanni Francesco Santonastaso, Velitchko Tzatchkov and Victor Hugo Alcocer-Yamanaka 1 Resumen Este documento considera la introducción de un contaminante en un sistema de suministro de agua utilizando un ataque de espalda. El reciente desarrollo de técnicas para la sectorización de redes de agua, destinadas a mejorar la gestión de los sistemas de agua, es también una forma muy consciente de proteger las redes de la contaminación intencional y reducir el riesgo de efectos de la contaminación de la red. Los usuarios pueden ser protegidos de manera intencionada por áreas aisladas de medidores de distrito (i-DMAs) en la red de agua y el cierre de las válvulas de compuerta por un sistema de control remoto para implementar tales i-DMA en casos de ataques maliciosos. Este estudio investiga los efectos de los diferentes enfoques para la partición y sectorización de redes de agua para proteger las redes utilizando una técnica para diseñar iDMA que es compatible con el rendimiento hidráulico y que se basa en la teoría de gráficos y la optimización heurística. Para este análisis, se asumió la introducción de cianuro a través de un ataque de reflujo. La metodología fue probada en una gran red de agua en México y mostró una buena protección contra un ataque malicioso. Palabras clave: sectorización distrital, ataques maliciosos, partición de redes, contaminación del agua, protección de la red de agua. Nomenclatura Ci,ext concentración de entrada externa [mg/l] Ci,out concentración de contaminantes dejando el nodo i [mg/l] Ci concentración de la especie disuelta k [mg/l] Cj,in concentración en la tubería jth [mg/l] hi cargas de presión [m] hmean presión media del nodo[m] hmin presión mínima del nodo[m] Hs carga de origen [m] Ii conjunto de tuberías de red que ingresan al nodo i Ir índice de resiliencia Ird índice de desviación de resiliencia LD50 (dosis letal que mata a la mitad (50%) dela dosis probada de los animales [mg/kg] Lep Lj longitud de las tuberías contaminadas [m] longitud de la tubería[m] mi subconjunto de tuberías j incidente al nodo i n90 número de nodos en los que h es menor quehmin90¼ 90% hmin Neu número de usuarios expuestos Neu50 número de usuarios expuestos que consumieron más que la dosis letal LD50 Qi,ext contaminante de entrada flujo externo [m3/s] Qi distribución de la demanda de agua del nodo [m3/s] qj,in Flujo en la tubería jth [m3/s] qj Flujo de tubería [m3/s] r tasa de reacción SNND red sin distritos 1.1 INTRODUCCIÓN Las redes de distribución de agua están expuestas a un potencial diferente de fuentes de contaminación accidental e intencional (US EPA, 2003). La contaminación accidental está relacionada con la mala calidad del agua de origen ocasional, el mal funcionamiento de las estaciones de cloro, roturas de tuberías y reparaciones de fugas, mientras que la contaminación intencional se refiere a ataques maliciosos resentidos por la introducción de un contaminante en las fuentes de la red, la inyección de un contaminante en una tubería de red (Nilsson, Buchberger, & Clark, 2005), o el contraflujo que se produce cuando se utiliza un sistema de bomba para superar la presión local en el punto de inserción (Kroll, 2010). La contaminación del agua por ataques terroristas es un riesgo importante para la sociedad y puede tener consecuencias graves, como envenenar a los usuarios o propagar enfermedades infecciosas; muchos países adoptaron directrices para el seguimiento de la calidad del agua y planes de acción de emergencia después del 11 de septiembre de 2001 (HSPDs, 2002) (US EPA, 2003) (US EPA, National Primary Drinking Water Regulations, 2009) (CER, 2005). Un acto malicioso puede consistir en la introducción de contaminantes químicos, bioquímicos, microbiológicos o radiactivos en la red de suministro de agua. Los estudios disponibles en la literatura se han centrado en la capacidad de los sensores comunes para detectar cambios notables en la calidad del agua cuando un contaminante está presente (US EPA, 2003) (Hall, y otros, 2007), especialmente mediante el monitoreo de parámetros como pH, conductividad, carbono orgánico total, turbidez y cloro residual, junto con algoritmos interpretativos (McKenna, Hart, Klise, Cruz, & Wilson, 2007) (Umberg, 2008) (Kroll & King, 2010). Otros estudios se han centrado en la posición óptima de las estaciones de medición y la identificación de la contaminación de la fuente puntual (Rico Ramirez, Frausto Henandez, Diwekar, & Hernandez Castro, 2007) (Ostfeld, 2008) (Chang, Pongsanone, & Ernest, 2011). Estas técnicas son útiles desarrollo de sistemas de alerta temprana (EWS), pero son bastante ineficaces para evaluar el impacto de las acciones que reducen los efectos peligrosos para los usuarios. Cuando se identifica un incidente de contaminación de la red de suministro de La alerta temprana es crucial para que la primera acción sea correcta, mientras que la eficacia de la segunda acción depende de la posibilidad de cerrar tuberías para desconectar los segundos de la red. La alerta temprana requiere una buena distribución de sensores de advertencia rápida a través de la red agua, se deben realizar tres acciones principales: 1) alertar a los usuarios de que no utilicen el agua contaminada; 2) cerrar el sector de la red para limitar los riesgos para la salud; y (3) eliminar el contaminante. La alerta temprana es crucial para que la primera acción sea correcta, mientras que la eficacia de la segunda acción depende de la posibilidad de cerrar tuberías para desconectar los segundos de la red. La alerta temprana requiere una buena distribución de sensores de advertencia rápida sobre la red (Kroll & King, 2010), y el cierre de tuberías sólo se puede lograr si se ha previsto la sectorización de red (o partición) en la fase de planificación. El reciente desarrollo de técnicas de partición de redes de agua (WNP) que dividen la red de agua en áreas de medidores de distrito (DMAs) (Wrc/WSA/WCA Engineering and Operations Committee, 1994) mejorar la gestión y el control de los sistemas de agua (Di Nardo & Di Natale, 2011) (Di Nardo, Di Natale, Santonastaso, & Venticinque, 2013a) y representan una forma muy científica de proteger las redes de los agentes químicos y biológicos (Grayman, Murray, & Savic, 2009) (Murray, Grayman, Savic, & Farmani, 2010) (Di Nardo, Di Natale, Guida, & Musmarra, 2013b) recientemente propuso una metodología para reducir el riesgo de contaminación intencional de una red de suministro de agua a través de la sectorización de la red de agua (WNS). La sectorización se logra cerrando las válvulas de compuerta en las tuberías de red que conectan los DMAs (Tzatchkov, Alcocer-Yamanaka, & Bourguett-Ortız, 2006). En esta condición, en la que cada distrito del sistema está completamente separado (o aislado) de todos los demás distritos, el distrito aislado puede ser nombrado un DMA aislado (i-DMA), como se propone por (Di Nardo, A.; Di Natale, M.; Santonastaso, G.; Tzatchkov, V.; Alcocer-Yamanaka, V., 2013c) (Di Nardo A. , Di Natale, Santonastaso, Tzatchkov, & Alcocer Yamanaka, 2013d). Un estudio de la protección de la red de agua con WNS por (Di Nardo, Di Natale, Guida, & Musmarra, 2013b) obtenidos los siguientes resultados: la insolación del DMA es más eficaz que el WNP por sí solo; la protección del usuario aumenta con un número creciente de ADM en un WNP; el WNP reduce el alcance del riesgo porque se necesitarían varios puntos de introducción para producir un amplio impacto negativo en la red; el WNP permite Medidas de protección más fáciles de activar porque una pequeña parte de la red se puede desconectar. La metodología respeta los criterios de 'valor de doble uso' (Kroll & King, 2010) porque el WNP y el WNS, además de proteger la red de la contaminación, están definidos para otros objetivos (por ejemplo, el equilibrio hídrico y la gestión de la presión) para optimizar los costos. En otras palabras, el primer objetivo (y por lo tanto el 'valor de uso principal') para cualquier WNP (Water Authorities Association and Water Research Centre, 1985) (Water Industry Research Ltd, 1999) (Committee), 2003) (Di Nardo & Di Natale, 2011) (Di Nardo, A.; Di Natale, M.; Santonastaso, G.; Tzatchkov, V.; Alcocer-Yamanaka, V., 2013c);consiste en lo siguiente: (a) la identificación y la reducción de la pérdida de agua; (b) la gestión de la presión; (c) la mejora de la velocidad y la calidad de las reparaciones por fugas; (d) la planificación del mantenimiento; (e) la predicción y el control de la calidad del agua; y f) la medición de la demanda de agua. El objetivo secundario (o el valor de doble uso) consiste en proporcionar protección contra el agua contra la contaminación accidental o intencional (Di Nardo, Di Natale, Guida, & Musmarra, 2013b). De esta manera, la protección del sistema de distribución de agua se logra con WNP y WNS y es capaz de un probable retorno de la inversión porque sólo una pequeña parte de la vida útil del sistema se gastará en protección de red; la mayor parte de la vida útil del sistema se destinará a la gestión diaria de la consecución de los principales objetivos. En este documento, diferentes SMP, obtenidos con una herramienta automática (Di Nardo, Di Natale, Santonastaso, & Venticinque, 2013a) para WNP y/o Lo que proporciona diseños de conformidad con el rendimiento hidráulico, se investigaron para evaluar el efecto de diferentes WNPs en la protección de la red de agua contra la contaminación intencional. Este estudio analizó los beneficios de definir i-DMAs para la protección de red que son compatibles con el rendimiento hidráulico. La contaminación intencional se modeló como se propuso en (Di Nardo, Di Natale, Guida, & Musmarra, 2013b) por la introducción el cianuro en una tina que se utiliza para un ataque de reflujo en un sistema de agua. Los puntos más débiles para una entrega deliberada de contaminantes también están definidos. El análisis se llevó a cabo con diferentes escenarios de WNP y WNS en redes reales de distribución de agua de múltiples fuentes. En un trabajo reciente de (Di Nardo A. , y otros, 2013e), esta metodología fue probada en un pequeño sistema de agua en Italia, mientras que, en este trabajo, se eligió una gran red de distribución de agua en México como caso de estudio. 1.2 MATERIALES Y MÉTODOS En esta sección, se describen primero las características del incidente de contaminación. Una red de suministro de agua puede contaminarse intencionalmente de varias maneras: se pueden introducir varios contaminantes (químicos, bioquímicos o radiactivos) en uno o más puntos del sistema de agua (fuentes, depósitos, tanques o puntos genéricos). En este trabajo, se modeló un ataque de reflujo en el sistema de agua definiendo los puntos más peligrosos de la red para una entrega deliberada de contaminantes. El contaminante elegido fue el cianuro de potasio (Patnaik 2007), un compuesto inorgánico que es altamente soluble en agua (716 g/l) y extremadamente tóxico (LD50 ¼ 2.86 mg/kg. LD50 es una medida estandarizada para expresar y comparar la toxicidad oral aguda de los productos químicos. Esta dosis mata a la mitad (50) de los animales probados, LD ¼ dosis letal). Elegir un contaminante específico es importante para definir la concentración letal correspondiente, pero esta selección no socava el valor general del enfoque propuesto que se puede aplicar a otros contaminantes (i.e., aldicarb, cultivo de ántrax, fluoro acetato, nicotina, ricina, sarín yVX). Ataque de contraflujo El escenario de ataque de contraflujo fue tomado prestado de (Di Nardo A. , Di Natale, Guida, & Musmarra, 2013b) (Di Nardo A. , y otros, 2013e). Específicamente, el contraflujo se crea con una bomba un equipo que es fácil de encontrar en el mercado, que puede introducir el contaminante en el sistema de agua superando la presión local en el punto de inserción y diseminando el contaminante en la red. Las simulaciones se llevaron a cabo modelando la subred y las demandas de agua que ocurren en un edificio típico, permitiendo al estudio de caso define el volumen crítico para lograr el ataque malicioso. El ataque malicioso se lleva a cabo en un solo punto y, teóricamente, por un solo terrorista equipado con un pequeño número de dispositivos sencillos (por ejemplo, una pequeña bomba y una mochila para transportar el contaminante) que le permitirían cometer el delito sin que se le note. Un ataque a se puede lograr fácilmente mezclando cianuro con agua en una tina de baño en cualquier casa y bombeando la solución a la red de agua. El punto de introducción puede estar en cualquier parte del sistema. Los puntos de introducción más peligrosos para los usuarios pueden ser identificados utilizando la herramienta de calidad de agua EPANET2. Se han hecho varias suposiciones para evaluar el efecto peligroso:(a) cada nodo de la red corresponde a un número determinado de usuarios; (b) una cantidad determinada de cianuro de potasio (representada por la tasa y concentración del caudal masa) se introduce dos veces en la red de agua a las 7:00 a.m. y a las 9:00 a.m. (un intervalo de 2 horas es suficiente para rellenar la bañera de baño y la mezcla de cianuro (Di Nardo A. , y otros, 2013e), el intervalo de tiempo en el que se produce la demanda máxima del agua de la mañana en la red estudiada y el contaminante se extiende más rápidamente; y (c) la concentración letal de cianuro de potasio en el agua para un usuario de 70 kg es de 200 mg/l (Patnaik 2007). La contaminación por cianuro ha sido simulada a través de EPANET2, un módulo de simulación de la calidad del agua que permite modelar el transporte de una especie disuelta viajando a lo largo de una tubería con la misma velocidad media como fluido portados y puede reaccionar (ya sea en crecimiento o en descomposición) a una velocidad determinada (Liou & Kroon, 1987). La dispersión longitudinal no es típicamente un mecanismo de transporte importante bajo la mayoría de las condiciones de operación (aunque esta dispersión puede ser considerada, si es necesario, como se muestra en (Tzatchkov, Aldama, & Arreguín, 2002)Tzatch-kov et al. (2002)) y no ha sido considerada en este estudio, como se describe en más detalle en Di Nardo et al. (2013 b, e). Diseño de particiones de la red de agua Recientemente, los autores han desarrollado diferentes algoritmos y procedimientos heurísticos basados en la teoría de gráficos y técnicas de partición para diseñar WNP y WNS. En esta sección se presentan algunos elementos principales para describir el procedimiento utilizado en este trabajo y ampliamente difundido por Di Nardo et al (2013 a). Una red de agua puede asimilarse a un simple gráfico ponderado considerando G=(V,E), donde V es el conjunto de n vértices (o nodos) y E es el conjunto de m bordes (o tuberías). Denota ω˜i como los pesos positivos con i ∈ V y ∈ ij=0 como los pesos no negativos con ij ∈ E y ϵij 0 si ijÏE, un problema de partición del gráfico k-way consiste en particionar los vértices de G en subconjuntos k (o distritos), D1,D2, .... , Dk tal que Di ∩ Dj = 0 para i ≠ j, lDil ¼ n/k, y∪i Di =V. La partición de la red se logra mediante un algoritmo de varios niveles que combina diferentes algoritmos con un algoritmo de bisección recursiva de varios niveles, y estos algoritmos combinados permiten reducir al mínimo el número de cortes de bordes (o enlaces entre los distritos) y equilibrar el número de nodos que pertenecen a cada distrito. La partición k-way se resuelve recursivamente realizando una secuencia de particiones bidireccionales (o bisecciones). Si se ponderan los bordes y los vértices del gráfico, el objetivo es minimizar la suma de los cortes de borde con los pesos asociados y equilibrar la suma de los pesos de los nodos de cada distrito. El objetivo es dividir los vértices en k subconjuntos Dk, minimizando al mismo tiempo la suma del número de corte de bordes eij con los pesos asociados ϵ ij, cuyos vértices incidentes pertenecen a diferentes subconjuntos, equilibrando el número de vértices np con los pesos asociados ω˜p para cada subconjunto. Una vez realizada la partición gráfica y asignados los nodos a cada distrito, el posicionamiento de los contadores y válvulas de compuerta flow se obtiene con un algoritmo genético utilizando una función objetiva basada en el enfoque energético. Finalmente, los WNPs se comparan utilizando los índices de rendimiento (PIs) de specific (Di Nardo & Di Natale 2013f) con find, la mejor solución que cumple con el rendimiento hidráulico. Esta metodología fue implementada en una herramienta automática desarrollada en el lenguaje de programación Python v2.7.6 (Summerfield 2009). Escenarios analizados Se analizaron diferentes escenarios para probar los efectos de la sectorización desordenada en la protección de la red de agua contra la contaminación intencional. Los pasos de la metodología propuesta se ilustran en el diagrama de flujo de la Figura 1: 1) simulación hidráulica de la red de abastecimiento de agua por EPANET2; 2) Diseño WNP; 3) simulación de un ataque malicioso por parte del módulo de calidad del agua de EPANET2 para los diferentes escenarios; 4) cálculo del número total de usuarios expuestos (Neu), número de usuarios expuestos que consumieron más que el LD50 (Neu50), y longitud 5) minimización de Neu50 cambiando el número y las dimensiones de los DMAs.
