Modelación Hidráulica y Sectorización de Redes de …...CURSO ANEAS: Modelación Hidráulica y...

CURSO ANEAS:

Modelación Hidráulica y Sectorización

de Redes de Agua Potable

Por Leonel Ochoa Consultor

Sistema de Aguas de la Ciudad de México, SACMEX

Noviembre 2014

REINO UNIDO, 1980 “District Metered Area (DMA)”

ORIGEN DE LA SECTORIZACIÓN DE

REDES DE AGUA

DISTRITO HIDROMÉTRICO TÍPICO

SECTORES HIDROMÉTRICOS

¡ EL ENFOQUE MODERNO DE LOS SECTORES HIDROMÉTRICOS ES

EN EL CONTEXTO INTEGRADO DE EFICIENCIA HIDRÁULICA,

VOLUMÉTRICA Y ENERGÉTICA !

SECTORES

HIDROMÉTRICOS

( SH )

¡ EJEMPLO DE SECTORIZACIÓN DE UN SISTEMA DISTRIBUCIÓN DE

AGUA POTABLE

TRAZO DE RED CONVENCIONAL

TIPO DE SECTORIZACIÓN I

RED PRIMARIA CON BLOQUES DE TUBERÍAS

SECUNDARIAS

EJEMPLO…

TIPO DE SECTORIZACIÓN II

REDES PRIMARIA Y SECUNDARIA INTEGRADAS

EJEMPLO…

RED CON SECTORES

Facilita el el mejoramiento de la

eficiencia volumétrica, hidráulica y energética

en la red de agua potable

RED CONVENCIONAL

Dificulta el proceso de incremento de

eficiencia del sistema de agua potable

CUATRO ELEMENTOS NECESARIOS PARA SECTORIZAR

UNA RED:

Sector completamente aislado

Sector con suministro de agua

independiente

Sector cumple especificaciones de velocidad y

presión en tuberías y nodos

Sector garantiza suministro continuo a

usuarios.

ETAPAS DE LA SECTORIZACIÓN

DE REDES DE

AGUA POTABLE

Planeación

Construcción e instrumentación

Operación y mantenimiento

• Selección del período de diseño del proyecto • Evaluación del funcionamiento hidráulico del sistema • Estimación de la población en el sistema

• Análisis entre la oferta y demanda de agua • Anteproyecto de la sectorización de la red

• Verificación en campo del diseño y confirmación de obras a ejecutar

• Ejecución de obra civil

• Instrumentación y equipamiento

• Pruebas de aislamiento y puesta en operación • Evaluación de la eficiencia hidráulica • Evaluación de le eficiencia volumétrica

• Evaluación de la eficiencia de facturación • Mantenimiento continuo de sectores

Diseño

• Diseño hidráulico de la sectorización de la red • Diseño de distritos hidrométricos • Elaboración de planos constructivos y presupuesto

• Evaluación económica del proyecto

PLANEACIÓN

Zona 1 Zona 4

Colonia A 5.0 % Colonia G 6.0 %

Colonia B 13.0 % Colonia H 5.0 %

Total Zona 1 18.0 % Colonia I 8.0 %

Zona 2 Colonia J 12.0 %

Colonia C 4.0 % Colonia K 3.0 %

Coonia D 8.0 % Total Zona 4 34.0 %

Colonia E 7.0 % Zona 5

Total Zona 2 19.0 % Colonia L 3.0 %

Zona 3 Colonia M 5.0 %

Colonia F 14.0 % Colonia N 7.0 %

Total Zona 3 14.0 % Total Zona 5 15.0 %

Caudal total requerido 100.0 %

CAUDALES REQUERIDOS EN

UNA CIUDAD

NOTA: Se incluyen gastos de fugas

Distribución espacial los caudales (en

porcentaje) suministrados en una ciudad

ficticia;

OC= Obra de captación

Caudales demandados

Caudales suministrados

OC-2

OC-1

PORCENTAJEDECAUDALSUMINISTRADOYDEMANDADOENZONASACTUALES

Z-1

18%

Z-2

19 %

Z-4

34%

Z-3

14%

Z-5

15%

Zona Colonias Caudal suministrado Caudal demandado Diferencia

Z-1 A-B 8.0 % 18.0 % - 10.0 %

Z-2 C-D-E 17.0 % 19.0 % - 2.0 %

Z-3 F 10.0 % 14.0 % - 4.0 %

Z-4 G-H-I-J-K 23.0 % 34.0 % -11.0 %

Z-5 L-M-N 42.0 % 15.0 % + 27.0 %

TOTAL 100.0 % 100.0 % -

OC-2

OC-1

PORCENTAJEDECAUDALSUMINISTRADOYDEMANDADOENZONASACTUALES

Z-1

18%

Z-2

19 %

Z-4

34%

Z-3

14%

Z-5

15%

OC-2

OC-1

Z-1

11%

Z-2

19 %

Z-4

41%

Z-3

14%

Z-5

15%

PORCENTAJEDECAUDALSUMINISTRADOYDEMANDADOEN

SECTORESDEPROYECTO

REDISTRIBUCIÓN DE CAUDALES PARA

SECTORIZAR LA RED

Zona Colonias Caudal suministrado Caudal demandado Diferencia

Z-1 A 11.0 % 11.0 % 0 %

Z-2 C-D-E 19.0 % 19.0 % 0 %

Z-3 F 14.0 % 14.0 % 0 %

Z-4 B-G-H-I-J-K 41.0 % 41.0 % 0 %

Z-5 L-M-N 15.0 % 15.0 % 0 %

TOTAL 100.0 % 100.0 %

ETAPAS DE LA SECTORIZACIÓN

DE REDES DE

AGUA POTABLE

Planeación

Construcción e instrumentación

Operación y mantenimiento

• Selección del período de diseño del proyecto • Evaluación del funcionamiento hidráulico del sistema • Estimación de la población en el sistema

• Análisis entre la oferta y demanda de agua • Anteproyecto de la sectorización de la red

• Verificación en campo del diseño y confirmación de obras a ejecutar

• Ejecución de obra civil

• Instrumentación y equipamiento

• Pruebas de aislamiento y puesta en operación • Evaluación de la eficiencia hidráulica • Evaluación de le eficiencia volumétrica

• Evaluación de la eficiencia de facturación • Mantenimiento continuo de sectores

Diseño

• Diseño hidráulico de la sectorización de la red • Diseño de distritos hidrométricos • Elaboración de planos constructivos y presupuesto

• Evaluación económica del proyecto

FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO DEL SISTEMA

Pt =K

1+ be-at

Modelo logístico de

Verhulst, 1920

DISTRIBUCIÓN

ESPACIAL DE LA

POBLACIÓN

BALANCE HÍDRICO

AGUA

SUMINISTRADA

942.93' m3

100%

CONSUMOAUTORIZADOFACTURADO

508.8' m3

54%

Errores de exactitud

0.43' m3 (0.05%)

Errores de lectura y captura

0.86' m3 (0.09%)

CONSUMOAUTORIZADO

NO–FACTURADO

38.1' m3

4%

Reparación tuberías

3.8' m3 (0.4%)

Procesos de plantas

7.6' m3 (0.8%)

Parques públicos

13.3' m3 (1.4%)

Incendio y otros

11.4' m3 (1.2%)

PÉRDIDASAPARENTES

66.14' m3

7.0%

Usos ilegales regularizados

1.15' m3 (0.1%)

Fugas eliminadas tuberías

2.31' m3 (0.24%)

USOS ILEGALES POTENCIALES

56.39' m3 (6.0%)

FUGAS POTENCIALES TUBERÍAS

43.88' m3 (4.7%)

Errores en cuota fija

7.31' m3 (0.78%)

CONSUMOAUTORIZADO

546.9' m3

58%

PÉRDIDASDE AGUA

396.03' m3

42%

PERDIDASREALES

329.89' m3

35.0%

AGUA

FACTURADA

508.8' m3

54.0%

AGUA

NOFACTURADA

434.1' m3

(46.0%)

Agua Exportada

0' m3 (0%)

Consumo facturado

medido

330.73' m3 (35.1%)

Consumo facturado

no medido178.08' m3 (18.9%)

Consumo no facturado

medido

19.0' M3 (2%)

Consumo no facturado

no medido

19.0' M3 (2%)

Agua facturada y enviada

hacia otras redes 0' m3 (0%)

Consumo doméstico

231.51 m3 (24.6%)

Consumo No-doméstico

99.22' m3 (10.5%)

Consumo de cuota fija

178.08' m3 (18.9%)

Consumo

no autorizado

57.54' m3 (6.1%)

Inexactitudes de medidores

y errores de manejo de datos

8.6' m3 (0.9%)

Fugas en tuberías de

conducción y distribución

46.19' m3 (4.9%)

Fugas y derrames en

tanques

6.6' m3 (0.7%)

Fugas en tomas

domiciliarias

280' m3 (29.7%)

Evaporación en depósitos

1.9' m3 (0.2%)

Fugas eliminadas tanques

2.97' m3 (0.31%)

FUGAS POTENCIALESTANQUES

0.33' m3 (0.03%)

Fugas eliminadas en tomas

56.08' m3 (5.95%)

FUGAS POTENCIALES EN TOMAS

224.33' m3 (23.79%)

BALANCE HÍDRICO

ESTANDAR DE LA INTERNATIONAL WATER ASSOCIATION, IWA

Escenario A: Demanda MAYOR que el suministro de agua

PROYECCIÓN DE LA DEMADA DE AGUA

Escenario A. Demanda actual mayor que la oferta

EJEMPLO

Nivel de fugas 20 % Dotación 240 L/hab/día

CONCEPTO ZA-2 ZA-3 ZA-1 Suma

Población de proyecto 44,834 60,733 10,071 115,638

Q requerido (L/s) 124.5 168.7 28.0 321.2

Fuentes de suministro Presa, minas Cabadeñas y

Esmeralda

Pozos el

Verano

Mina Vesper y la

Recompensa

Q suministrado (L/s) 90.00 240.00 44.00 374.00

Diferencia Q (L/s) -34.5 71.3 16.0 52.8

Déficit Superávit Superávit Superávit

Nivel de fugas 20 % Dotación 240 L/hab/día

CONCEPTO ZA-2 ZA-3 ZA-1 Suma

Población de proyecto original 44,834 60,733 10,071 115,638

Población de proyecto

modificada 32,385 72,896 10,356 115,637

Q requerido (L/s) 90.0 202.5 28.7 321.2

Fuente de suministro Presa, minas

Cabadeñas y La

Esmeralda

Pozos el Verano Mina Vesper y la

Recompensa

Q suministrado (L/s) 90.0 240.00 44.00 374.00

Diferencia Q (L/s) + 0.0 + 37.5 + 15.3 + 52.8

Superávit Superávit Superávit Superávit

SUB-SECTORIZACIÓN

SECTORIZACIÓN DE

REDES CON POZOS

DISPERSOS EN LA

CIUDAD

DISEÑO

ETAPAS DE LA SECTORIZACIÓN

DE REDES DE

AGUA POTABLE

Planeación

Construcción e instrumentación

Operación y mantenimiento

• Selección del período de diseño del proyecto • Evaluación del funcionamiento hidráulico del sistema • Estimación de la población en el sistema

• Análisis entre la oferta y demanda de agua • Anteproyecto de la sectorización de la red

• Verificación en campo del diseño y confirmación de obras a ejecutar

• Ejecución de obra civil

• Instrumentación y equipamiento

• Pruebas de aislamiento y puesta en operación • Evaluación de la eficiencia hidráulica • Evaluación de le eficiencia volumétrica

• Evaluación de la eficiencia de facturación • Mantenimiento continuo de sectores

Diseño

• Diseño hidráulico de la sectorización de la red • Diseño de distritos hidrométricos • Elaboración de planos constructivos y presupuesto

• Evaluación económica del proyecto

ANTEPROYECTO DE

SECTORES EN LA RED

CLAVE SECTOR HIDRÁULICO

POBLACIÓN (hab)

GASTO MEDIO (L/s)

GASTO MÁXIMO

DIARIO (L/s)

GASTO MÁXIMO

HORARIO (L/s)

SH-1 Paraíso Limón 10,749 24.80 34.72 53.81 SH-2 Zapata 32,078 74.00 103.60 160.57

SH-3 Los Manguitos 5,248 12.11 16.95 26.27 SH-4 Las Mesas 13,179 30.40 42.56 65.97

SH-5 Tlapanecos-Hujal 15,663 36.13 50.58 78.40 SH-6 Quebrachal 3,468 8.00 11.20 17.36

Total = 80,385 185.43 259.60 402.38

SECTORPARAÍSOSH-1

MODELO DE

SIMULACIÓN

HIDRÁULICA DE RED

SECUNDARIA

ZONASINAGUA

ZONASINAGUA

ZONACONPRESIÓNALTA

SECTORPARAÍSOSH-1

ZONACONAGUA

ZONACONAGUA

ZONACONPRESIÓNREGULAR

SECTORPARAÍSOSH-1

INSTALARTUBERÍANUEVA

INSTALARVÁLVULAREDUCTORADEPRESIÓN

A3.5KG/CM2

DESCONECTARTUBERÍA

CONECTARTUBERÍA

Análisis hidráulico y adecuaciones de

diseño para el buen funcionamiento

hidráulico interno del sector hidrométrico

• Diámetros de tuberías con insuficiente

capacidad hidráulica

• Recorridos del agua muy largos

• Discontinuidades en los tramos de tuberías

• Reducciones de diámetros grandes a muy

pequeños en tuberías

• Topografía irregular del área

• Zonas con elevaciones altas

Razones que impiden la

distribución del agua en la red:

RED PRIMARIA ORIGINAL

RED PRIMARIA DE PROYECTO

MODELO DE SIMULACIÓN HIDRÁULICA DE LA RED PRIMARIA:

Diseño de su funcionamiento

Fases de la modelación de los sistemas hidráulicos a presión…

11

13

Nodo especial

(Tanque)

Nodo especial

(Tanque)

Nodo especial

(Pozo)

Nodos especiales

(Demanda de agua)

Nodo simple

REPRESENTACIÓN DE UNA RED EN UN MODELO HIDRÁULICO

Qi, j + qi = 0j=1

m

å

DHk, j = 0j=1

n

å

I = Número de nodos en la red

K = Número de circuitos en la red

DHk, j = f0.81* L

g* D5Q2

æ

èç

ö

ø÷

k, j

- Q1,3

+ Q1,0 - Q1,2

- q1

- ΔH3,8 + ΔH3,11

- ΔH3,10

+ ΔH3,9

Circuito k=3

Nodo i=1

Q1,0 – Q1,3 – Q1,2 – q1 = 0

DH3,9 + DH3,11 - DH3,10 - DH3,8 = 0

Primera Ley:

Segunda Ley:

CIRCUITO k = 3

3

2

0

NODO i = 1

ANÁLISIS HIDRÁULICO DE REDES Leyes de Kirchoff :

Nodo i-1 Nodo i

Nodo i-1 Nodo i

Demandas de agua en las conexiones domiciliarias (qi-1, i)

La demanda de agua en el nodo del modelo es igual a la suma de las

demandas de agua de las conexiones domiciliarias qi = Σ(qi-1, i)

qi

Flujo

SITUACIÓN REAL

REPRESENTACIÓN EN MODELO

Modelo de flujo permanente

Nodos:

• Elevación

• Demanda

• Ubicación

Propiedades

Tuberías:

• Diámetro

• Longitud

• Rugosidad

Tanques:

• Nivel de agua

• Elevación

• Ubicación

Válvulas:

• Tipo de función

• Diámetro

• Estado

Bombas:

• Curva Q-H-n

• Nivel dinámico

• Ubicación

Resultados

Nodos:

• Presiones

Tuberías:

• Gastos

• Velocidades

• Dirección del flujo

Software

comercial

disponible

EPANET

y=0.0934x+530.55R²=0.89918

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

0 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 120,000 140,000 160,000

Nú

mero

de n

od

os d

el

mo

delo

Númerodeconexionesenlared

DH-1 DH-2

DISEÑO DE DISTRITOS HIDROMÉTRICOS

Tubería abierta

Q salida =27.58 L/s

Tubería abierta

Q salida = 18.5 L/s

Tubería abierta

Q entrada = 45.9 L/s

DH-2 No-aislado

Presiones normales de operación en

toda la zona

Tubería abierta

Q entrada = 13.82 L/s Caudal neto para el DH-2

Q DH =13.64 L/s

Tubería cerrada

Q salida = 0 L/s

Tubería cerrada

Q salida = 0 L/s

Tubería abierta

Q entrada = 13.64 L/s

DH-2 Aislado una entrada de agua

Presiones en cero en toda la

esta zona

(Sin agua)

Tubería cerrada

Q entrada = 0 L/s Caudal neto para el DH-2

Q DH =13.64 L/s

Tubería abierta Q salida = 46.08 L/s

Tubería cerrada Q salida = 0 L/s

Tubería abierta Q entrada = 59.72 L/s

DH-2 Aislado una entrada y una

salida de agua

Presiones normales en toda

la esta zona

Tubería cerrada Q entrada = 0 L/s

Caudal neto para el DH-2

Q DH =13.64 L/s

DISEÑO DE DISTRITOS HIDROMÉTRICOS

DENTRO DE SECTORES

ELABORACIÓN DE PLANOS DE DISEÑO EJECUTIVO DE SECTORES

fF/P,i,N = (1+ i)N

ANÁLISIS ECONÓMICO DEL PROYECTO DE SECTORIZACIÓN

BENEFICIOS DEL PROYECTO DE

SECTORIZACIÓN

AHORRO DE ENERGÍA

ELÉCTRICA CON

EQUIPOS DE BOMBEO DE

DISEÑO

AHORRO DE AGUA

PRODUCIDA POR REDISTRIBUCIÓN

DE CAUDAL

AHORRO DE AGUA POR REDUCCIÓN DE FUGAS

B

C³1 Þ Proyecto de sectorización viable económicamente

CFFIS

EEBRFRHC

CCC

BBB

C

B

BENEFICIOS Y COSTOS EN VALOR PRESENTE ( $ )

Fin de la

primera parte

Dr. Leonel Humberto Ochoa Alejo

Consultor

Sistema de Aguas de la Ciudad de México, SACMEX

Correo: leonelochoa@yahoo.com.mx