Modelación Hidráulica y Sectorización de Redes de Agua Potable

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1 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

2 ORIGEN DE LA SECTORIZACIÓN DE REDES DE AGUA REINO UNIDO, 1980 District Metered Area (DMA)

3 DISTRITO HIDROMÉTRICO TÍPICO

4 SECTORES HIDROMÉTRICOS EL ENFOQUE MODERNO DE LOS SECTORES HIDROMÉTRICOS ES EN EL CONTEXTO INTEGRADO DE EFICIENCIA HIDRÁULICA, VOLUMÉTRICA Y ENERGÉTICA!

5 EJEMPLO DE SECTORIZACIÓN DE UN SISTEMA DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE SECTORES HIDROMÉTRICOS ( SH )

6 TRAZO DE RED CONVENCIONAL

7 TIPO DE SECTORIZACIÓN I RED PRIMARIA CON BLOQUES DE TUBERÍAS SECUNDARIAS

8 EJEMPLO

9 TIPO DE SECTORIZACIÓN II REDES PRIMARIA Y SECUNDARIA INTEGRADAS

10 EJEMPLO

11 RED CON SECTORES RED CONVENCIONAL Facilita el el mejoramiento de la eficiencia volumétrica, hidráulica y energética en la red de agua potable Dificulta el proceso de incremento de eficiencia del sistema de agua potable

12 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.

13 Planeación Selección de Evaluación d Estimación d Análisis entre Anteproyecto ETAPAS DE LA SECTORIZACIÓN DE REDES DE AGUA POTABLE Diseño Construcción e instrumentación Diseño hidráu Diseño de dis Elaboración d Evaluación ec Verificación e obras a ejecu Ejecución de Instrumentac Operación y mantenimiento Pruebas de a Evaluación d Evaluación d Evaluación d Mantenimien

14 PLANEACIÓN

15 CAUDALES REQUERIDOS EN UNA CIUDAD Zona 1 Zona 4 Colonia A 5.0 % Colonia G 6.0 % Colonia B 13.0 % Colonia H 5.0 % Total Zona % Colonia I 8.0 % Zona 2 Colonia J 12.0 % Colonia C 4.0 % Colonia K 3.0 % Coonia D 8.0 % Total Zona % Colonia E 7.0 % Zona 5 Total Zona % Colonia L 3.0 % Zona 3 Colonia M 5.0 % Colonia F 14.0 % Colonia N 7.0 % Total Zona % Total Zona % Caudal total requerido % NOTA: Se incluyen gastos de fugas

16 Distribución espacial los caudales (en porcentaje) suministrados en una ciudad ficticia; OC= Obra de captación

17 PORCENTAJE DE CAUDAL SUMINISTRADO Y DEMANDADO EN ZONAS ACTUALES Z-1 18% OC-2 Z-4 34% Z-2 19 % OC-1 Z-5 15% Z-3 14% Caudales demandados Caudales suministrados Zona Colonias Caudal suministrado Caudal demandado Diferencia Z-1 A-B 8.0 % 18.0 % % Z-2 C-D-E 17.0 % 19.0 % % Z-3 F 10.0 % 14.0 % % Z-4 G-H-I-J-K 23.0 % 34.0 % % Z-5 L-M-N 42.0 % 15.0 % % TOTAL % % -

18 PORCENTAJE DE CAUDAL SUMINISTRADO Y DEMANDADO EN ZONAS ACTUALES Z-1 18% OC-2 OC-2 Z-4 34% Z-2 19 % Z-1 11% OC-1 Z-5 15% Z-3 14% REDISTRIBUCIÓN DE CAUDALES PARA SECTORIZAR LA RED OC-1 Z-5 15% Z-4 41% Z-3 14% Z-2 19 % PORCENTAJE DE CAUDAL SUMINISTRADO Y DEMANDADO EN SECTORES DE PROYECTO 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 % %

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

20 FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO DEL SISTEMA

21 Modelo logístico de Verhulst, 1920 P t = K 1+ be -at

22 DISTRIBUCIÓN ESPACIAL DE LA POBLACIÓN

23 BALANCE HÍDRICO

24 BALANCE HÍDRICO ESTANDAR DE LA INTERNATIONAL WATER ASSOCIATION, IWA AGUA CONSUMO AUTORIZADO 546.9' m3 58% CONSUMO AUTORIZADO FACTURADO 508.8' m3 54% CONSUMO AUTORIZADO NO FACTURADO 38.1' m3 4% Agua Exportada 0' m3 (0%) Consumo facturado medido ' m3 (35.1%) Consumo facturado no medido ' 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 m3 (24.6%) Consumo No-doméstico 99.22' m3 (10.5%) Consumo de cuota fija ' m3 (18.9%) Procesos de plantas 7.6' m3 (0.8%) Incendio y otros 11.4' m3 (1.2%) Parques públicos 13.3' m3 (1.4%) Evaporación en depósitos 1.9' m3 (0.2%) Reparación tuberías 3.8' m3 (0.4%) AGUA FACTURADA 508.8' m3 54.0% SUMINISTRADA ' m3 100% PÉRDIDAS DE AGUA ' m3 42% PÉRDIDAS APARENTES 66.14' m3 7.0% PERDIDAS REALES ' m3 35.0% 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%) Usos ilegales regularizados 1.15' m3 (0.1%) USOS ILEGALES POTENCIALES 56.39' m3 (6.0%) Errores de exactitud 0.43' m3 (0.05%) Errores en cuota fija 7.31' m3 (0.78%) Errores de lectura y captura 0.86' m3 (0.09%) Fugas eliminadas tuberías 2.31' m3 (0.24%) FUGAS POTENCIALES TUBERÍAS 43.88' m3 (4.7%) Fugas eliminadas tanques 2.97' m3 (0.31%) FUGAS POTENCIALES TANQUES 0.33' m3 (0.03%) Fugas eliminadas en tomas 56.08' m3 (5.95%) FUGAS POTENCIALES EN TOMAS ' m3 (23.79%) AGUA NO FACTURADA 434.1' m3 (46.0%)

25 Escenario A: Demanda MAYOR que el suministro de agua

26 PROYECCIÓN DE LA DEMADA DE AGUA Escenario A. Demanda actual mayor que la oferta

27 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, ,638 Q requerido (L/s) Fuentes de suministro Presa, minas Cabadeñas y Pozos el Mina Vesper y la Esmeralda Verano Recompensa Q suministrado (L/s) Diferencia Q (L/s) Déficit Superávit Superávit Superávit

28 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, ,638 Población de proyecto modificada 32,385 72,896 10, ,637 Q requerido (L/s) Fuente de suministro Presa, minas Cabadeñas y La Esmeralda Pozos el Verano Mina Vesper y la Recompensa Q suministrado (L/s) Diferencia Q (L/s) Superávit Superávit Superávit Superávit

29 SUB-SECTORIZACIÓN

30 SECTORIZACIÓN DE REDES CON POZOS DISPERSOS EN LA CIUDAD

31

32 DISEÑO

33 Planeación 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 Diseño Diseño hidráulico de la sectorización de la red Diseño de distritos hidrométricos Elaboración de planos constructivos y presupuesto Evaluación económica del proyecto Construcción e Verificación en campo del diseño y confirmación de obras a ejecutar Ejecución de obra civil Instrumentación y equipamiento

34 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, SH-2 Zapata 32, SH-3 Los Manguitos 5, SH-4 Las Mesas 13, SH-5 Tlapanecos-Hujal 15, SH-6 Quebrachal 3, Total = 80,

35 MODELO DE SIMULACIÓN HIDRÁULICA DE RED SECUNDARIA SECTOR PARAÍSO SH-1

36 SECTOR PARAÍSO SH-1 Razones que impiden la distribución del agua en la red: ZONA CON PRESIÓN ALTA ZONA SIN AGUA 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 ZONA SIN AGUA SECTOR PARAÍSO SH-1 CONECTAR TUBERÍA Análisis hidráulico y adecuaciones de diseño para el buen funcionamiento hidráulico interno del sector hidrométrico INSTALAR VÁLVULA REDUCTORA DE PRESIÓN A 3.5 KG/CM2 ZONA CON PRESIÓN REGULAR INSTALAR TUBERÍA NUEVA ZONA CON AGUA DESCONECTAR TUBERÍA ZONA CON AGUA

37 RED PRIMARIA ORIGINAL

38 RED PRIMARIA DE PROYECTO

39 MODELO DE SIMULACIÓN HIDRÁULICA DE LA RED PRIMARIA: Diseño de su funcionamiento

40 Fases de la modelación de los sistemas hidráulicos a presión

41 REPRESENTACIÓN DE UNA RED EN UN MODELO HIDRÁULICO Nodo especial (Tanque) Nodo especial (Pozo) Nodo simple Nodo especial (Tanque) Nodos especiales (Demanda de agua)

42 ANÁLISIS HIDRÁULICO DE REDES Leyes de Kirchoff : 3 - Q 1,3 - Q 1,2 - q 1 + Q 1,0 Nodo i=1 0 NODO i = 1 Primera Ley: Q 1,0 Q 1,3 Q 1,2 q 1 = 0 m å j=1 n å j=1 Q i, j + q i = 0 DH k, j = ΔH 3,9 CIRCUITO k = 3 I = Número de nodos en la red K = Número de circuitos en la red Circuito - ΔH 3,8 k=3 + ΔH 3,11 Segunda Ley: DH 3,9 + DH 3,11 - DH 3,10 - DH 3,8 = 0 æ DH k, j = f 0.81* L ö ç è g* D 5 Q2 ø k, j - ΔH 3,10

43 SITUACIÓN REAL Demandas de agua en las conexiones domiciliarias (q i-1, i ) Nodo i-1 Nodo i Flujo Nodo i-1 REPRESENTACIÓN EN MODELO La demanda de agua en el nodo del modelo es igual a la suma de las demandas de agua de las conexiones domiciliarias q i = Σ(q i-1, i ) Nodo i q i

44 Modelo de flujo permanente Propiedades Nodos: Tuberías: Válvulas: Tanques: Bombas: Elevación Demanda Ubicación Diámetro Longitud Rugosidad Tipo de función Diámetro Estado Nivel de agua Elevación Ubicación Curva Q-H-n Nivel dinámico Ubicación Resultados Nodos: Presiones Tuberías: Gastos Velocidades Dirección del flujo

45 Software comercial disponible EPANET

46 Número de nodos del modelo 14,000 12,000 10,000 y = x R² = ,000 6,000 4,000 2, ,000 40,000 60,000 80, , , , ,000 Número de conexiones en la red

47 DISEÑO DE DISTRITOS HIDROMÉTRICOS DH-1 DH-2

48 Tubería abierta Q entrada = 45.9 L/s Tubería abierta Q salida =27.58 L/s DH-2 No-aislado DISEÑO DE DISTRITOS HIDROMÉTRICOS DENTRO DE SECTORES Presiones normales de operación en toda la zona Tubería abierta Q salida = 18.5 L/s Tubería abierta Q entrada = L/s Tubería abierta Q salida = L/s Presiones normales en toda la esta zona Tubería abierta Q entrada = L/s Caudal neto para el DH-2 Q DH =13.64 L/s DH-2 Aislado una entrada y una salida de agua Tubería abierta Q entrada = L/s Tubería cerrada Q salida = 0 L/s Presiones en cero en toda la esta zona (Sin agua) DH-2 Aislado una entrada de agua Tubería cerrada Q salida = 0 L/s Tubería cerrada Q entrada = 0 L/s Caudal neto para el DH-2 Q DH =13.64 L/s Tubería cerrada Q salida = 0 L/s Tubería cerrada Q entrada = 0 L/s Caudal neto para el DH-2 Q DH =13.64 L/s

49 ELABORACIÓN DE PLANOS DE DISEÑO EJECUTIVO DE SECTORES

50 ANÁLISIS ECONÓMICO DEL PROYECTO DE SECTORIZACIÓN ff/p,i,n = (1+i) N

51

52 AHORRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA CON EQUIPOS DE BOMBEO DE DISEÑO BENEFICIOS DEL PROYECTO DE SECTORIZACIÓN AHORRO DE AGUA PRODUCIDA POR REDISTRIBUCIÓN DE CAUDAL AHORRO DE AGUA POR REDUCCIÓN DE FUGAS

53 BENEFICIOS Y COSTOS EN VALOR PRESENTE ( $ ) B B RHC B RF B EEB C C IS C F C CF B ³1 Þ Proyecto de sectorización viable económicamente C

54 Fin de la primera parte Dr. Leonel Humberto Ochoa Alejo Consultor Sistema de Aguas de la Ciudad de México, SACMEX Correo:

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