Comisión Nacional del Agua

Transcripción

1 Comisión Nacional del Agua MANUAL DE AGUA POTABLE, ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO MODELACIÓN HIDRÁULICA Y DE CALIDAD DEL AGUA EN REDES DE AGUA POTABLE Diciembre de

2 ADVERTENCIA Se autoriza la reproducción sin alteraciones del material contenido en esta obra, sin fines de lucro y citando la fuente. Esta publicación forma parte de los productos generados por la Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento, cuyo cuidado editorial estuvo a cargo de la Gerencia de Cuencas Transfronterizas de la Comisión Nacional del Agua. Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento. Edición 2007 ISBN: Autor: Comisión Nacional del Agua Insurgentes Sur No Col. Copilco El Bajo C.P , Coyoacán, México, D.F. Tel. (55) Editor: Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales Boulevard Adolfo Ruiz Cortines No Col. Jardines de la Montaña, C.P 14210, Tlalpan, México, D.F. Impreso en México Distribución gratuita. Prohibida su venta.

3 Comisión Nacional del Agua Ing. José Luis Luege Tamargo Director General Ing. Marco Antonio Velázquez Holguín Coordinador de Asesores de la Dirección General Ing. Raúl Alberto Navarro Garza Subdirector General de Administración Lic. Roberto Anaya Moreno Subdirector General de Administración del Agua Ing. José Ramón Ardavín Ituarte Subdirector General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento Ing. Sergio Soto Priante Subdirector General de Infraestructura Hidroagrícola Lic. Jesús Becerra Pedrote Subdirector General Jurídico Ing. José Antonio Rodríguez Tirado Subdirector General de Programación Dr. Felipe Ignacio Arreguín Cortés Subdirector General Técnico Lic. René Francisco Bolio Halloran Coordinador General de Atención de Emergencias y Consejos de Cuenca M.C.C. Heidi Storsberg Montes Coordinadora General de Atención Institucional, Comunicación y Cultura del Agua Lic. Mario Alberto Rodríguez Pérez Coordinador General de Revisión y Liquidación Fiscal Dr. Michel Rosengaus Moshinsky Coordinador General del Servicio Meteorológico Nacional C. Rafael Reyes Guerra Titular del Órgano Interno de Control Responsable de la publicación: Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento Coordinador a cargo del proyecto: Ing. Eduardo Martínez Oliver Subgerente de Normalización La Comisión Nacional del Agua contrató la Edición 2007 de los Manuales con el INSTITUTO MEXICANO DE TECNOLOGÍA DEL AGUA según convenio CNA-IMTA-SGT-GINT (Proyecto HC0758.3) del 2 de julio de 2007

4 ELABORACIÓN Dr. Víctor Hugo Alcocer Yamanaka (1) Dr. Velitchko G. Tzatchkov (1) REVISIÓN Ing. Eduardo Martínez Oliver (2) Ing. Jorge Guiza Maldonado (2) (1) Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA) (2) Comisión Nacional del Agua (CNA)

5 CONTENIDO Página PRÓLOGO INTRODUCCIÓN MODELACIÓN MATEMÁTICA APLICADA A REDES DE DISTRIBUCION DE AGUA POTABLE ANTECEDENTES TIPOS DE MODELOS Aplicabilidad Grado de detalle Variación en el tiempo Variables del sistema MODELOS HIDRÁULICOS ETAPAS EN LA ELABORACIÓN DE UN MODELO HIDRÁULICO Recopilación de información Topología de la red Tuberías Bombas y/o estaciones de bombeo Elementos de regulación o válvulas Depósitos y/o tanques de almacenamiento y regulación Nodos de consumo Puntos de inyección ESQUELETIZACIÓN DE LA RED Recomendaciones Estaciones de bombeo ESTUDIO DE CONSUMOS Y ASIGNACIÓN DE DEMANDAS Estimación de la demanda Tipos de consumo Criterios de asignación Recomendaciones en la asignación de consumos en modelos matemáticos Otros factores por considerar CALIBRACIÓN DEL MODELO HIDRÁULICO Caracterización de la red Requisitos de los datos de la red Parámetros del modelo Identificación del uso del modelo Determinar estimaciones de parámetros del modelo REALIZACIÓN DE MEDICIONES EN LA RED Número de mediciones Medición de presión Mediciones de caudal Datos de telemetría Datos de calidad del agua EVALUACIÓN DE RESULTADOS DEL MODELO HIDRÁULICO PRECALIBRADO DEL MODELO ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD...56 i

6 3.9 AJUSTE FINO DEL MODELO RESUMEN CALIDAD DEL AGUA EN REDES POR QUÉ EL CLORO RESIDUAL ES EL DESINFECTANTE MÁS EMPLEADO? NORMATIVIDAD RESPECTO AL AGUA PARA CONSUMO HUMANO EN MÉXICO Límites máximos permisibles de los parámetros del agua para consumo humano Vigilancia y evaluación del control de calidad del agua para uso y consumo humano Procedimientos Sanitarios para el muestreo de agua POSIBLES PROBLEMAS ASOCIADOS A LA CALIDAD DEL AGUA DENTRO DE LAS REDES DE DISTRIBUCIÓN Concentración insuficiente Exceso de cloro Formación de biopelícula(biofilm) Deterioro de la calidad del agua en sistemas de distribución Casos asociados con problemas de desinfección Otros EL CLORO Y SUS PROPIEDADES CARACTERISTICAS DESINFECCIÓN Tipos de desinfección Factores que influyen en la eficiencia de la desinfección CONCEPTOS Dosis Demanda Residual FORMAS DE SUMINISTRO DE CLORO Gas cloro Hipoclorito de sodio NAoCL (líquido) Hipoclorito de calcio (polvo) Hipoclorito de calcio de alta concentración MÉTODOS DE MEDICIÓN DE CLORO Yodométricos Amperométricos Colorimétricos (DPD, standard methods 1992) EQUIPOS DOSIFICADORES DE CLORO CASETA DE CLORACIÓN Y PUNTOS DE REINYECCIÓN MODELACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA EN REDES DE DISTRIBUCIÓN MECANISMOS DE TRANSPORTE Advección Difusión Dispersión ECUACIONES QUE GOBIERNAN EL TRANSPORTE Y MEZCLA EN REDES DE AGUA POTABLE...94 ii

7 6.2.1 Transporte advectivo y dispersivo en tuberías Mezcla en los nodos de unión Mezcla en depósitos de almacenamiento y/o regulación Sistema de ecuaciones REACCIONES CINÉTICAS Tipos de reacción Ecuación cinética de la reacción del cloro residual libre con el volumen de agua COEFICIENTES DE REACCIÓN Estimación del coeficiente de reacción del cloro con el volumen de agua, kb Decaimiento del cloro con el volumen de agua Reacción con la pared de la tubería, kw MODELACIÓN ESTÁTICA DE LA CALIDAD DEL AGUA Algoritmo para determinar la contribución de las fuentes al consumo en los nodos Modelo de mezcla de sustancias conservativas en redes Tiempos de residencia MODELACIÓN DINÁMICA DE LA CALIDAD DEL AGUA Método de diferencias finitas (FDM) Método de los elementos discretos de volumen (DVEM) Método orientado al tiempo (Time Driven Method, TDM) Método orientado al suceso (Event Driven Method, EDM) MODELACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA EN TANQUES O DEPÓSITOS Mezcla y envejecimiento en instalaciones de almacenamiento Modelos de sistemas Ecuaciones para los diferentes modelos DISPERSIÓN DE SUSTANCIAS EN TUBERÍAS Estado del arte en materia de modelos de simulación hidráulica y de calidad del agua que incluyan la dispersión de sustancias en redes de agua potable COMPARACIÓN DE MODELOS DE SIMULACIÓN HIDRÁULICA Y DE CALIDAD DEL AGUA QUE INCLUYAN DISPERSIÓN COMO FENÓMENO DE TRANSPORTE EN REDES DE AGUA POTABLE Comparación con el modelo EPANET y con mediciones de campo ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LA DISPERSIÓN DE SUSTANCIAS DENTRO DE LAS TUBERÍAS Y SU IMPORTANCIA EN RELACIÓN A LA ADVECCIÓN Y LA REACCIÓN APLICACIÓN DE UN MODELO DE CALIDAD DEL AGUA REQUISITOS FUNDAMENTALES EN LA REALIZACIÓN DE MUESTREO DE CLORO Ubicación de los puntos de muestreo Frecuencia y duración del muestreo Preparación de los sitios de muestreo Equipo necesario Procedimiento para la toma de muestra de cloro Calibración de equipos de medición Formatos de apoyo Capacitación y comunicación con el personal iii

8 7.2 CALIBRACIÓN DE UN MODELO DE CALIDAD DEL AGUA Medición de la reacción del cloro con el volumen de agua, coeficiente k b Medición en tramos para determinar el coeficiente de decaimiento total, k Cálculo de la reacción con la pared de la tubería (tasa de reacción con la pared) Recomendaciones CALIBRACIÓN DE UN MODELO DE CALIDAD DEL AGUA Parámetros iniciales Elección del tipo de modelación en tanques Comparación de resultados CASOS REALES DE APLICACIÓN DE MODELOS DE CALIDAD DEL AGUA MODELOS HIDRÁULICOS Y DE CALIDAD DEL AGUA DISPONIBLES ANTECEDENTES Y ESTADO DEL ARTE INTERNACIONAL ESTADO DEL ARTE EN MÉXICO CLASIFICACIÓN DE PROGRAMAS COMERCIALES O PÚBLICOS A NIVEL INTERNACIONAL INFORMACIÓN DE LOS PROGRAMAS COMERCIALES RECOMENDACIONES EN LA ELECCIÓN DE UN PROGRAMA DE SIMULACIÓN HIDRÁULICA Y DE CALIDAD DEL AGUA BIBLIOGRAFIA ANEXO A ANEXO B ANEXO C iv

9 PRÓLOGO Los sistemas de distribución de agua son parte fundamental en el bienestar y desarrollo de la población. En ellos se centran diversas problemáticas como son la escasez, distribución irregular y el mejoramiento del servicio. Por ello, obtener un conocimiento sólido para tener una mejor toma de decisiones que cubran de forma parcial o total los problemas anteriores, es uno de los retos que el hombre tiene por resolver. En los últimos años se han desarrollado diferentes técnicas para afrontar el tema de los sistemas de distribución y es uno de ellos en particular, que ha despertado interés de la mano de la tecnología: modelos de simulación matemática. Los modelos de simulación matemática son la base para el cálculo hidráulico y de calidad del agua, para simular diferentes estados que se producen en la red de distribución. Del producto de estas simulaciones se extraen resultados que serán considerados en la planificación, operación y gestión de la red. Es importante tener en cuenta que el problema de análisis está resuelto actualmente a través de programas de cómputo sí se dispone de datos, situación que normalmente no ocurre. Para afrontar este tipo de obstáculos, el análisis hidráulico de las redes de distribución puede dividirse en dos: red de distribución nueva y otra aquella que se encuentre en servicio. En caso de tener una red nueva, el problema se reduce considerablemente, ya que la información existente proviene de los parámetros de diseño, caso contrario ocurre con una red en servicio donde las dificultades se incrementan. Bajo estas circunstancias, los parámetros con los que se proyectó la red se han modificado por el propio funcionamiento de ésta. El conocimiento de qué parámetros y las circunstancias que hacen que varíen son fundamentales en el momento de estimarlos. Es aquí donde se encuentra una de las aportaciones de la presente obra, a diferencia de un manual de usuario de algún programa de simulación, en éste se pretende abordar el como estimar estos parámetros y con ello obtener mejores resultados y conocimiento profundo de la red de distribución analizada; asimismo también se describen con detalle las etapas en la elaboración de un modelo hidráulico y los puntos importantes que permitirán lograr un modelo de simulación adecuado. En el pasado únicamente se consideraba el análisis hidráulico, con el objetivo general de obtener las velocidades o gastos en los tramos y las presiones en los nodos, sin embargo esta situación ha cambiado, en la actualidad con el surgimiento de los modelos de simulación de calidad del agua, que calculan entre otras, la evolución de un soluto, como el cloro residual dentro de las tuberías, los modelos de simulación han evolucionado hacia una nueva etapa en el avance del conocimiento. Los modelos de calidad del agua generalmente son empleados para conocer la concentración de sustancias conservativas como el flúor y de no conservativas como el cloro residual, es en este último es donde cobra importancia al ser el desinfectante 1

10 más empleado dentro de las redes. En el presente manual se describe un capítulo sobre la calidad del agua en los sistemas de distribución y los posibles problemas asociados a la calidad del agua dentro de las tuberías. También se incluyen las propiedades del cloro residual y sus formas de suministro. Otro punto incluido es la base teórica de los modelos de simulación de calidad del agua como son los mecanismos de transporte que intervienen, ecuaciones fundamentales, reacciones cinéticas, y los tipos de simulación (estática y dinámica), además se incluye un tema de reciente incorporación en este campo, como lo es la dispersión. Con el surgimiento de los modelos de simulación aplicados a las redes de distribución, diferentes firmas de ingeniería comercializan sus productos dentro del mercado, por ello en un capítulo se realiza una evaluación de los múltiples programas que se ofertan. Esto cobrará importancia debido a que el usuario de acuerdo a sus necesidades específicas, tendrá mejores elementos para decidir con mayor precisión cual sería la elección final. Por último, para facilidad del lector se incluyen ejemplos prácticos que pretenden dar solidez al conocimiento adquirido sobre este tema. 2

11 1 INTRODUCCIÓN La experiencia muestra que la calidad del agua potable dentro de una red de distribución cambia en su transcurso desde las fuentes de abastecimiento hasta llegar a los usuarios. El desinfectante (cloro) decae una vez introducido en las fuentes, y existe el peligro que ciertas partes de la red queden desprotegidas, con el correspondiente riesgo para la salud de la población. Los organismos operadores de agua potable en México determinan la dosis del desinfectante en las fuentes, y en las eventuales estaciones de reinyección, de manera empírica (por medio de prueba y error), es decir, aplicando cierta dosis y revisando la concentración en diferentes puntos de la red. Dadas las dimensiones de las redes de agua potable en ciudades, es imposible muestrear la concentración en cada punto de la red. Debido a esto, la concentración del desinfectante puede estar en los límites aceptables en todos los puntos donde muestrea el organismo operador, pero pueden quedar muchos otros puntos de la red donde la concentración sea insuficiente. Cabe señalar, que no siempre la concentración mas baja se presenta en las partes más alejadas de las fuentes. El decaimiento del desinfectante es proporcional al tiempo que el agua permanece en la red antes de ser consumida. Con esto, el desinfectante puede decaer más rápidamente en cualquier parte de la red con escasa recirculación del agua (velocidad baja del flujo), o en los tanques de almacenamiento. El problema de mantener y controlar el desinfectante se complica aún más cuando la red es abastecida por varias fuentes a la vez. Finalmente, el flujo en las redes de agua potable es no permanente durante todo el día, debido a la variación horaria de la demanda, y esto genera también una constante variación temporal de la concentración en cada punto de la red. Por todo lo anterior, para un organismo de agua potable en México sería de gran utilidad conocer la concentración en cada punto de la red y en cada hora del día, con el objetivo de cumplir con el desinfectante requerido por las normas correspondientes de agua para consumo humano. Por lo anterior, herramientas como lo son modelos matemáticos de la calidad del agua en las redes de distribución que, implementados en computadoras, hacen posible predecir la concentración del cloro (u otro parámetro físico-químico del agua) en diferentes escenarios de operación en todos los puntos de la red y para cualquier instante del día, esto ayudaría notablemente para obtener un conocimiento sobre la desinfección con cloro desde las fuentes de abastecimiento a las tomas domiciliarias de los usuarios. Un modelo de este tipo se compone de un submodelo hidráulico que predice la circulación del flujo en las tuberías, y un submodelo de la transformación físico-química que sufre el desinfectante en la red y en los tanques. En términos generales, el modelo se alimenta con los siguientes datos: 3

12 Datos de la infraestructura hidráulica: Trazo de la red Altimetría Material y diámetro de las tuberías Tanques (elevación y dimensiones) Válvulas: tipo y estado (cerrada, semiabierta o abierta) Bombas Datos operacionales: Itinerario de operación de las bombas Tandeos Demanda de agua potable Desinfección: Puntos de introducción del desinfectante y concentración Coeficientes de reacción del cloro con el agua y con las tuberías y tanques Una parte de estos datos se toman del catastro de la infraestructura, y otra parte (como los coeficientes de reacción) se obtiene por medio de mediciones de campo y de laboratorio. Introducidos y validados esos datos, se corre el modelo y se obtiene entre otros resultados, la concentración del cloro (u otro parámetro físico-químico que se quiera modelar) en cada punto de la red. Este resultado permite identificar las partes de la red con concentración insuficiente (o excesiva) del desinfectante, analizar las causas y posibles soluciones. La labor de garantizar un nivel de desinfección adecuado en cada punto del sistema de distribución de agua potable puede facilitarse con el uso de un modelo de simulación de la calidad del agua. Como se mencionó, el modelo se alimenta con los datos físicos y operacionales (hidráulicos) del sistema de distribución, y proporciona la concentración del desinfectante en cada punto, lo que favorece la identificación de las partes potencialmente problemáticas de la red, y permite definir estrategias para garantizar una desinfección eficiente en todo el sistema. Algunos beneficios de la implementación del modelo en una ciudad son [Alcocer, V., et al, 2004]: Permite analizar el comportamiento del desinfectante en la red; Hace posible definir diferentes estrategias para garantizar la calidad del agua en la red; Provee las herramientas para determinar la dosificación óptima de cloro en las fuentes y plantas, y en su caso la necesidad de unidades auxiliares de inyección secundaria; 4

13 Identifica las partes potencialmente problemáticas de la red y las medidas a tomar para solucionar el problema; Permite conocer la calidad del agua resultante de la mezcla de aguas de diversas fuentes de abastecimiento dentro de la red; Puede usarse para investigar las causas en una baja de calidad del agua; Analiza el comportamiento de sustancias químicas en la red, y en caso de un posible accidente de contaminación, determinar quienes serían los usuarios afectados y el tiempo de transporte del contaminante. Lo anterior ayudará a los operadores a conocer el tiempo disponible para reaccionar e iniciar acciones correctivas; Permite optimizar la ubicación de los puntos de muestreo de la calidad del agua en la red; El modelo hidráulico que se implementa como parte del modelo de calidad del agua, puede ser usado en otros proyectos como sectorización de la red, establecimiento de distritos hidrométricos para control de pérdidas de agua potable, mejoras en la distribución, y otros; En general, proporciona un conocimiento detallado del funcionamiento hidráulico y de la calidad del agua en la red de distribución, que a su vez repercute en otros beneficios provenientes de un mejor control y una operación más consciente. Los modelos de calidad del agua pueden ser también utilizados para realizar otra serie de estudios como son [Grayman, et al, 2000]: Calibración y ensayo de modelos hidráulicos del sistema, a través de trazadores químicos; Localización y dimensionamiento de instalaciones de almacenamiento y/o regulación, y modificación del funcionamiento del sistema para reducir el tiempo de residencia del agua dentro de la red; Evaluar la vulnerabilidad del sistema a incidentes de contaminación externa. En México como en la mayoría de Latinoamérica, existen numerosas prácticas las cuales hacen la medición de cloro y con ello el conocimiento del comportamiento del mismo un tema confuso. Como se puede ver en esta sección, generalmente las actividades relacionadas al muestreo del desinfectante se realizan a prueba y error. Tener un modelo de simulación de cloro en las redes ayudaría a disminuir este tipo de prácticas, además de tener la oportunidad de optimizar los recursos de la institución y por último garantizaría la salud de los usuarios. Normalmente las personas encargadas de la planeación, y el diseño del servicio de las redes de distribución de agua potable, descuidan dos componentes: confiabilidad y calidad del agua. Debido al objetivo del manual se retomará este último aspecto. Los trabajos en los cuales normalmente se omiten aspectos relacionados con la calidad del agua son: Diseño de una red de distribución nueva; 5

14 Sectorización de redes; Ampliación de la red de distribución; Revisión de la operación de una red de distribución en servicio; Estos trabajos inciden directamente en la calidad del agua que se entregará al usuario. En la mayoría de las ocasiones esta calidad podría ser asegurada apoyándose en los trabajos con un modelo de simulación hidráulico y de calidad del agua. Actualmente, la mayoría de los organismos operadores de agua potable en México, determinan la dosis necesaria del desinfectante en fuentes y eventuales estaciones de reinyección a través de monitoreos periódicos en la red, [Alcocer, et al, 2004a]. Normalmente el personal encargado de la calidad del agua en las empresas de agua aplica en cierta dosis en la fuente para posteriormente medir en diferentes puntos de la red y ver si la concentración es suficiente. Sin embargo estas rutas de muestreo consideran puntos, lugares y casas habitación generalmente fijos, lo que ocasiona los siguientes problemas [Figura 1.1]: Al considerar rutas fijas de muestreo, se descuidan zonas donde podrían presentarse problemas con concentración insuficiente; En ocasiones por el contrario se excede en el número de mediciones en campo necesario obtener el comportamiento de cloro residual. Asimismo al reubicar las rutas fijas, no se consideran aspectos hidráulicos y de calidad del agua porque en la mayoría de las ocasiones se desconoce el comportamiento del flujo y con ello de las sustancias como el cloro residual dentro de la red de distribución. Por lo que esta toma de decisiones se reduce nuevamente a una elección arbitraria. Tener el conocimiento aproximado del decaimiento del cloro residual reduciría el número de puntos de muestreo que tiene que realizar el personal de campo de la empresa de agua. Lo anterior se traduce directamente en la optimización de costos en personal humano, infraestructura, equipos y reactivos necesarios para la obtención de la concentración de cloro residual en cada uno de los puntos de interés. 6

15 Figura 1.1 Ubicación de los puntos de muestreo permanente realizado por la Junta de Agua Potable y Alcantarillado de Culiacán, [JAPAC, 2002]. Es importante mencionar que un modelo de simulación de cloro ayuda a conocer el comportamiento del mismo dentro de la red. Dentro de los modelos existen ciertas variables las cuales ayudarán en gran medida la planeación de nuestros sistemas en cuanto calidad del agua se refiera. Una de estas variables es el tiempo de residencia del agua dentro de las tuberías (anteriormente mencionada) que a su vez es calculada dentro de los programas de cómputo comerciales. Como un ejemplo, en la Figura 1.2, se aprecia la concentración calculada con el modelo SCADRED para cada nodo, la influencia que tiene la fuente ubicada en el nodo 8,000 sobre el consumo en los demás nodos, y los tiempos máximos, medios y mínimos de traslado del agua dentro de las tuberías, desde la fuente hasta cada nodo. El modelo obtiene una tabla para cada fuente en la red. Figura 1.2 Parte del contenido del archivo de resultados para los nodos del módulo de calidad del agua en SCADRED. 7

16 Debido a la naturaleza físico-química del cloro residual se deberán atender las siguientes recomendaciones al realizar un muestreo de dentro de la red de distribución: El tiempo de residencia hidráulica será una variable fundamental para definir los puntos de muestreo dentro de la red de distribución; En redes pequeñas, los tiempos de residencia hidráulica son cortos y no se produce decaimiento apreciable del desinfectante [Tzatchkov, et al, 1994], por lo que tomando una muestra en la fuente de abastecimiento y en número reducido de puntos bastaría para conocer la concentración del cloro residual dentro de la red; Una situación similar se presenta en modelos de redes grandes, cuando se incluyen solamente las líneas principales, donde las velocidades del flujo son altas y, por lo tanto, el tiempo de residencia es corto. Será necesario tomar muestras también en tuberías donde la velocidad del flujo es baja y los tiempos de recorrido del agua son largos, como en las tuberías de diámetro pequeño (llamadas tuberías secundarias o tuberías de distribución), que es donde están conectados los usuarios; Se tiene la concepción que los puntos más alejados son generalmente los de menor concentración, sin embargo por las razones expuestas con anterioridad, es posible que una tubería no tan alejada de la fuente de abastecimiento o de un punto de reinyección de cloro, presente concentraciones de cloro residual bajo. Lo anterior se debe a los posibles largos tiempos de residencia del agua. Recientemente se ha demostrado teóricamente que un régimen laminar dentro de las tuberías (velocidades bajas) favorece el decaimiento del desinfectante, y con ello una concentración insuficiente. Normalmente el principal obstáculo para aplicar una nueva metodología, estudio, innovación, diagnóstico o herramienta computacional dentro de los organismos operadores, es la falta de información. Este resulta el caso cuando se quiere aplicar un modelo de simulación de la calidad del agua dentro de las redes de distribución. De forma inicial, para realizar una predicción del comportamiento hidráulico y de calidad del agua como el cloro residual dentro de las redes es necesario tener la siguiente información: Catastro confiable de la red de distribución; Conocimiento del estado de las válvulas y su operación (abiertas y cerradas); Número suficiente de mediciones de presión, caudal y niveles (en caso de existir tanques) con el objetivo de conocer el comportamiento hidráulico de la red; Modelo hidráulico calibrado; Mediciones de cloro residual en diferentes puntos de la red. El uso de un modelo de calidad del agua es extremadamente útil en el diseño y en la operación de redes de agua potable, ya que brinda la posibilidad de simular el 8

17 decaimiento del desinfectante en la red y definir las estrategias necesarias para garantizar la concentración requerida del mismo dentro del sistema de distribución [Tzatchkov, et al, 2000]. Figura 1.3 Interfaz gráfica del programa de simulación hidráulica y de calidad del agua, EPANET. Un modelo de calidad del agua aplicado a redes de distribución es útil aún en aquellas de gran magnitud donde se podrían considerar todas las tuberías o bien, una parte de éstas. En la actualidad existen diferentes modelos de simulación que ofrecen diferentes compañías o instituciones, sin embargo las únicas herramientas que tiene el usuario que desea aplicar un modelo hidráulico o de calidad del agua en una red de distribución son los manuales de usuario del propio programa. El objetivo principal de este manual será conocer con mayor profundidad algunos conceptos relacionados con la simulación que están detrás de los modelos y que ayudarán a comprender el lector los resultados que arrojan los mismos, además que se abordan también recomendaciones, ejemplos prácticos para aquellos que comienzan en este tema y por último casos reales de aplicación en México y en el mundo. 9

18 2 MODELACIÓN MATEMÁTICA APLICADA A REDES DE DISTRIBUCION DE AGUA POTABLE 2.1 ANTECEDENTES El uso de modelos matemáticos para el análisis de sistemas de distribución de agua potable fue propuesto por vez primera en 1936 [Cross, 1936]. Desde entonces los métodos de solución empleados en los modelos han evolucionado desde el análisis inicial del caudal en redes desarrollado por Hardy Cross, realizado a mano, al desarrollo y extensión de modelos de redes hidráulicos para computadoras en las décadas de los setenta y ochentas, y la aparición de los modelos de calidad del agua en redes de distribución a finales de la década de los ochentas [Figura 2.1]. Conferencia de expertos USEPA/AWWARF 1930s 1960s 1970s 1980s 1990s Análisis de caudal en redes en forma manual (Hardy Cross) Análisis de redes por ordenador Modelos hidráulicos disponibles para pequeños ordenadores Modelos estáticos de calidad de agua Modelos dinámicos de calidad de agua Modelación dinámicade la calidad del agua Sistemas integrados de modelación SIG Figura 2.1 Desarrollo histórico de los modelos de simulación matemática aplicados a redes de distribución de agua potable, [García, V., 2003] Los modelos de simulación actualmente son sistemas completos de fácil manejo permitiendo a usuarios de diferentes niveles, analizar y mostrar los parámetros hidráulicos y de calidad del agua dentro de un sistema de distribución de agua potable. En el capítulo seis se abordarán de manera resumida los últimos avances a nivel nacional e internacional en este tema. 2.2 TIPOS DE MODELOS Tomando en cuenta el desarrollo en los últimos años que han experimentado los modelos de simulación, es posible realizar una clasificación de acuerdo al objetivo o criterios que se establezcan Aplicabilidad De acuerdo al grado de aplicación, los modelos se pueden clasificar como de planificación, operacionales y de diseño. 10

19 Modelos de planificación Estos modelos se utilizan para evaluar el rendimiento, los impactos económicos o cuantitativos de sistemas propuestos de tuberías, cambios en procedimientos operativos, comportamiento de distintos elementos, como válvulas de control, tanques, etc Modelos operacionales Se emplean para predecir el comportamiento hidráulico de variables como la presión y caudales en la red, modificar niveles en tanques de regulación. El objetivo es tener un mejor soporte en la toma de decisiones Grado de detalle En nuestro país este resulta un aspecto de importancia, esto se debe porque en ocasiones se realizan trabajos que no requieren de un nivel de detalle amplio, como en decisiones de planeación Modelos estratégicos o arteriales Estos modelos sólo incorporan elementos primordiales como: tuberías primarias y tanques de almacenamiento y regularización. Se emplean como se mencionó con anterioridad como instrumento de planeación y diseño, como puede ser la ampliación de la red de distribución por la incorporación de nuevas colonias Modelos detallados Normalmente para cubrir las necesidades de regulación y control de los sistemas de distribución se requiere de un modelo estratégico, sin embargo en ocasiones se necesita de un nivel de detalle mayor. Este tipo de modelos llegan a incluir las tuberías secundarias y en ocasiones hasta las tomas domiciliarias, [Guerrero, 2002] Variación en el tiempo El tiempo es una variable fundamental en la modelación de redes de agua potable. Existen dos tipos de modelación: estáticos y dinámicos Estáticos o de flujo permanente En este tipo de modelos se supone que los caudales demandados e inyectados permanecen constantes, no existen variaciones en la operación en la red, y el nivel en los tanques es fijo. Es cierto que las redes de distribución de agua potable no permanecen invariables a lo largo del tiempo, no obstante esta clase de modelos se emplean frecuentemente para analizar el comportamiento de la red con los caudales máximos horarios, y así someterlas a las condiciones más desfavorables. También 11

20 son empleados como base o condición inicial para otro tipo de modelos de mayor grado de complejidad como son: cuasi-estáticos o de periodos extendidos. De forma general, un programa o software comercial sobre modelación hidráulica en redes de distribución pide al menos los datos siguientes [Figura 2.2]: Tuberías (tramos de la red): diámetro, longitud, coeficientes de pérdidas de carga por fricción. Válvulas (abiertas, cerradas o semicerradas y en que grado). Conexiones entre las tuberías (topología de la red). Nodos: elevación, demanda de agua Tanques: nivel de agua (se considera constante en un análisis de flujo permanente) Bombas: curvas gasto-carga, nivel de succión, pérdidas de cargas menores. Con base en estos datos se forma un sistema de ecuaciones no lineales de balance de gastos en los nodos, que tiene como incógnitas las cargas en los mismos. El problema se soluciona iterativamente por el método de Newton-Raphson. En cada iteración se soluciona un sistema de ecuaciones lineales usando técnicas de matrices porosas [George y Liu, 1981]. Posteriormente se calculan los gastos en los tramos. El programa da una serie de resultados como son: caudal y con ello velocidad en los tramos de tuberías, presión en los nodos, pérdidas de carga, sentido del flujo, nivel en los tanques, mapas de isolíneas de presión, curvas de balance de caudales producido vs consumido (ver EPANET ), comportamiento de la demanda, de los que, en el modelo de calidad del agua, se utilizan los siguientes: los gastos en los tramos y su sentido, así como la velocidad. El IMTA, ha desarrollado los programas de cómputo Análisis hidráulico, AH, y SCADRED [Tzatchkov e Izurieta, 1996], para el cálculo hidráulico en redes en condiciones permanentes y no permanentes. También existen en el mercado otros modelos como el EPANET, WaterCAD, H2ONET, entre otros, que serán descritos en el capítulo seis del manual. 12

21 Nodos: Tubos: Tanques: Bombas: - Elevación - Demanda - Diámetro - Longitud - Coef. de pérdidas - Ubicación - Topología de red - Niveles - Ubicación - Curvas características - Niveles de succión - Pérdidas menores DATOS Balance de los gastos en los nodos Modelo hidráulico de flujo permanente Ecuación de pérdidas de carga Solución numérica Ecuación de pérdidas de carga Gastos, velocidades, y dirección de flujo en tramos; presiones. RESULTADOS Figura 2.2 Diagrama de un modelo hidráulico de flujo permanente Dinámicos o flujo no permanente A diferencia de los modelos estáticos, en los modelos de tipo dinámico, se permite la variación temporal de caudales demandados e inyectados, condiciones operativas de la red y de los niveles en los tanques. Esto es consideran bajo ciertas restricciones, simular la evolución temporal de la red, en un intervalo determinado. A su vez dentro de estos modelos existe una clasificación: inerciales y no inerciales Inerciales Consideran la inercia del fluido en su movimiento, es decir, la energía que consumen o devuelven los cambios de velocidad. A su vez estos modelos se subdividen en elásticos y rígidos, dependiendo de la inclusión o exclusión de la elasticidad del fluido y de la tubería. Tienen aplicación en simulaciones que involucran cambios bruscos de velocidad en el sistema, derivados de maniobras repentinas, roturas de tuberías, entre otras. Cuando la rapidez de estos cambios es muy grande, deberán considerarse los efectos elásticos en las tuberías y en el agua, como los modelos elásticos o golpe de ariete, sin embargo si los cambios son no tan rápidos, será suficiente incluir y considerar la inercia del fluido que se traduce en tubería indeformable y el agua incompresible como lo es un modelo rígido No inerciales Simulan una serie de estados permanentes sucesivos, bajo ciertas condiciones de frontera variables en el tiempo, de hecho éstas le dan el carácter dinámico al modelo. Este modelo es conocido como cuasi-dinámico, y uso es ampliamente referenciado 13

22 como simulación en período extendido, (EPS, por sus siglas en inglés, extended period simulation). Se emplean cuando las variaciones de la velocidad del fluido en el interior de las tuberías son muy lentas, y se desprecia la energía que el fluido invierte o recupera al acelerar o desacelerar. Básicamente se aplica para simular la evolución temporal de una red de abastecimiento en condiciones normales de funcionamiento, donde los cambios, por ejemplo en la variación de los consumos en los nodos se presentan de manera gradual. De forma general, el modelo EPS se basa en soluciones consecutivas de flujo permanente para cada hora del día u otro intervalo con la demanda correspondiente y el balance del volumen de agua en los tanques. Además de los datos iniciales que solicita el modelo de flujo permanente, un programa o software comercial de modelación de flujo cuasi-dinámico, requiere de los siguientes datos [Figura 2.3]: Dimensiones de los tanques Variación de la demanda dentro de las 24 horas del día. Nodos: Tubos: Tanques: Bombas: - Elevación - Demanda - Diámetro - Longitud - Coef. de pérdidas - Ubicación - Topología de red - Niveles - Ubicación - Curvas características - Niveles de succión - Pérdidas menores Variación de la demanda DATOS Modelo hidráulico de flujo permanente Soluciones consecutivas de flujo permanente Solución numérica Balance de gastos en tanques entre las soluciones Para cada hora del día: Gastos y velocidades en tramos Presiones RESULTADOS Figura 2.3 Diagrama de un modelo hidráulico de flujo no permanente. 14

23 El programa da una serie de resultados de los cuales el modelo de calidad del agua, empleará: los gastos en los tramos y su sentido así como la velocidad. Estos resultados cambian con el tiempo y se presentan para cada intervalo considerado en el análisis. Normalmente los análisis se efectúan para cada hora del día Variables del sistema De acuerdo con el objetivo y las variables de interés se clasifican en: hidráulicos y calidad del agua Hidráulicos Estos determinan los caudales y presiones dentro de la red de distribución de agua, bajo condiciones iniciales y de frontera establecidas Calidad del agua Los modelos de calidad del agua determinan la variación temporal y espacial de un determinado parámetro físico-químico de calidad del agua, como la concentración de sustancias contaminantes o bien desinfectantes. Aún cuando se conocen como modelos de calidad del agua, la aplicación se ha reducido en gran parte a la modelación del cloro residual y flúor. Es importante mencionar que esta clase de modelos requiere de variables hidráulicas como la velocidad, calculadas previamente con la ayuda de un modelo hidráulico. 15

24 3 MODELOS HIDRÁULICOS 3.1 ETAPAS EN LA ELABORACIÓN DE UN MODELO HIDRÁULICO Las fases de un modelo hidráulico por implementar son las siguientes: Determinar el tipo de cuestiones que el modelo ayudará a resolver/responder; Representar los componentes de la red de distribución real, en términos adecuados para su utilización por el modelo implementado; Recopilación de información para caracterizar los componentes incluidos en el modelo; Esqueletización de la red, esto es la simplificación de la red de tuberías, según el uso y la información disponible; Análisis y asignación de consumos registrados. Se trata de incorporar dentro del modelo, las demandas en los puntos de consumo para cada período de tiempo analizado. Atendiendo a las etapas anteriores, se dispone de un modelo hidráulico sin validar de la red de distribución. Las siguientes etapas se dedican a la corrección y ajuste de los parámetros de la red, en otras palabras la fase de calibración del modelo. En la calibración del modelo se siguen de manera general los siguientes pasos: Mediciones de presión y caudal, las cuales se realizan en algunos puntos de la red, para diferentes estados de carga; Ajuste del modelo. Se reproducen con el modelo los estados de carga de las mediciones. Se comparan los valores de presión y caudal medidos en la red con los obtenidos por el modelo de simulación hidráulico, y se ajustan los diferentes parámetros como el coeficiente de rugosidad de las tuberías, y la demanda; Resultados y conclusiones. Al final del proceso se obtiene un modelo hidráulico calibrado, que permitirá realizar simulaciones con cualquier estado de demanda en la red. Es importante mencionar que las redes de distribución sufren de constantes cambios, por esta razón el modelo hidráulico calibrado, deberá ser actualizado y recalibrado de forma periódica Recopilación de información La obtención de información confiable y precisa de los elementos que componen el sistema de distribución por simular es parte fundamental en la construcción de un modelo hidráulico. Los elementos que componen un sistema de distribución son: 16

25 Nodos Tuberías Válvulas Bombas Depósitos o tanques de almacenamiento y regularización Pozos Plantas potabilizadoras Todos los elementos que sirvan para reproducir el comportamiento hidráulico de la red. En esta fase de recopilación se revisarán y actualizarán las fuentes de información sobre la red de distribución analizada. Este trabajo requiere de una importante colaboración del personal del organismo operador. Este último apoyo se debe a que la gente del organismo operador trabaja diario en la red que se incluirá en el modelo Topología de la red La topología de la red se expresa por la forma en que están conectados los diferentes elementos que la componen. Toda esta información se obtiene a partir de los planos de la red otorgados por el organismo operador local. Las uniones entre las tuberías se llaman nodos. Estos podrán representar diferentes elementos como: tanques, bombas, uniones entre tuberías, cambios de dirección, válvulas, pozos, etcétera. a) Red ramificada pura b) Red mallada pura Zona mallada Zona ramificada c) Red mixta d) Red mixta Figura 3.1 Tipos de red de acuerdo con su topología En condiciones de simulación hidráulica en estado permanente, los nodos generalmente requieren de dos datos: cota de terreno y demanda (si es el caso). 17

26 Para las simulaciones en períodos extendidos, se requiere de la curva de la variación de la demanda Tuberías Es importante conocer de las tuberías sus características geométricas tales como: Nodo inicial y final Diámetro Longitud Coeficiente de rugosidad Conectividad ó topología Pérdidas de carga por cortante y localizadas Material Edad de la misma Estado de conservación. De forma similar que para el caso de la topología, la obtención de esta información de forma preliminar se realiza a partir de los planos de la red existentes. Sin embargo, es conocido también que las redes de distribución de agua sufren cambios continuos, como reparaciones o trabajos de mantenimiento, por esta razón, se deberá acudir al departamento de operación y mantenimiento para localizar y conocer la información respectiva. Con respecto al diámetro de las tuberías, deberá considerarse que la información histórica disponible sólo refleja el tamaño de la tubería en el momento de su instalación; sin embargo con el paso de tiempo, puede haberse reducido como consecuencia de incrustaciones. El efecto de esta reducción en el cálculo de caudales y pérdidas de carga normalmente es agrupado junto con las modificaciones realizadas al coeficiente de rugosidad de la tubería durante el proceso de la calibración del modelo hidráulico de simulación. Es importante mencionar que aunque esto funciona bastante bien para la modelación hidráulica, el uso de un diámetro incorrecto de tubería puede ocasionar dificultades cuando se modela la calidad del agua, esto se debe a que dentro de este tipo de simulación se calculan los tiempos de viaje del agua a través de las tuberías, que está en función del diámetro Bombas y/o estaciones de bombeo Para esto será necesario conocer en cada uno de los equipo de bombeo existente lo siguiente: Ubicación dentro de la red de distribución Potencia Curva característica (carga caudal) 18

27 Rendimiento Horas de funcionamiento Modo de operación (arranque/paro) Pérdidas de carga en la estación de bombeo Caudal correspondiente a las pérdidas de carga Elevación del nivel del agua en la toma En algunos programas es necesario colocar dos nodos (inicial y final) para representar la estación de bombeo. El nodo inicial será el reservorio o el lugar el cual se extraerá el agua, y el nodo final representa la bomba. Figura 3.2 Curva característica o de comportamiento incluido dentro del programa EPANET. Debido a que el rendimiento de la bomba puede variar con el tiempo, deberán realizarse ensayos de forma periódica para evaluar el funcionamiento real de la misma. Cuando no se conoce la curva característica de la bomba, un método empleado para representarla consiste en asumir una potencia constante. Sin embargo, en casos cuando se realizan simulaciones de periodos extendidos se deberá tomar con cierta cautela, porque las combinaciones resultantes de altura-caudal pueden en ocasiones no corresponder a la realidad. Cabe señalar que este punto no es posible llevarla en todos los modelos, como el SCADRED. 19

28 Generalmente este tipo de información requerida por el modelo, se obtiene por la experiencia del personal encargado de operación, además de éstos normalmente poseen los manuales o la información sobre las características de los equipos instalados en la red de distribución. Para aquellos casos donde no se tiene información alguna sobre las bombas, de forma inicial y aproximada se puede realizar lo siguiente: Representar la bomba como un caudal de inyección asignado a un nodo (signo negativo) Representar la bomba como tanque (carga hidráulica conocida) El primer caso es cuando se tiene algún conocimiento sobre el caudal que inyecta la bomba hacia la red. Esto puede ser precisado con mediciones de caudal en la tubería que sale (efluente) del equipo de bombeo. El segundo caso recordar que en la colocación de un tanque dentro de un modelo de simulación es necesario conocer el nivel estático del agua. Para ello se deberá tener un conocimiento sobre la presión (carga hidráulica) a la salida que tiene el equipo de bombeo actual. Habrá que considerar que durante los resultados de las simulaciones preliminares, se deberá cotejar los resultados del caudal que inyecta el tanque a la red de distribución, con los que posiblemente pudiera estar inyectando la bomba. Es probable que el caudal calculado sea mayor o incluso menor de lo que pudiera suministrar la bomba Elementos de regulación o válvulas Uno de los puntos que afectan considerablemente, la predicción de los caudales y las presiones dentro de la red de distribución, es el conocimiento preciso del estado de las válvulas. Los datos que se requieren de forma inicial para iniciar el proceso de simulación son: ubicación y condición actual (abierta o cerrada) [Figura 3.3]. 20

29 Tanque de regularización 2 Válvula de seccionamiento Caja de operación de válvulas Figura 3.3 Ubicación de válvulas dentro de la red de distribución (red secundaria en dos planos, Tzatchkov e Izurieta, 1994). Dentro de las válvulas existen varios tipos que podrán ser considerados, como son las válvulas reguladoras y reductoras de presión. En este tipo de válvulas generalmente se insertará dentro del modelo de simulación la presión que se desea aguas abajo de la misma.otro tipo de válvulas son las limitadoras de caudal, que restringen el caudal de paso a través de la válvula a un valor prefijado. Generalmente los modelos de simulación emiten un mensaje de advertencia si no puede conseguirse dicho caudal, a no ser que hubiera un aporte de energía (esto es, si el caudal a válvula abierta fuera inferior al de consigna). Las Válvulas Limitadoras de Caudal son unidireccionales, y deben orientarse según el sentido del flujo a limitar. Si se especifica un caudal negativo para una Válvula Limitadora de Caudal, ésta se comporta como una bomba de caudal prefijado, [Rossman, 1994] Depósitos y/o tanques de almacenamiento y regulación De estos elementos se requiere de la información siguiente: Ubicación Tipo (Elevado o superficial) Capacidad Geometría Cota de plantilla Elevación de los niveles (máximo y mínimo) o nivel del agua Curva de nivel-volumen (en caso de ser necesario). 21

30 Un ejemplo se muestra en la Figura " m Ubicación: Tanque Santa Fe Capacidad Total: 2000 m³ Descripcion Constructiva del tanque regulador: Tanque de concreto superficial de 2000m³ de capacidad Llenado: A traves del pozo la Guasima con una línea de cinduccioón de 30" Zona de influencia de distribución: Fraccionamiento Santa Fe y Zona Humaya m H= 3.10 m m 6" 16" m 12" 30" Figura 3.4 Dimensiones del tanque Santa Fé, [Alcocer, et al, 2003] Nodos de consumo En este tipo de nodo requiere de la cota de terreno, tipo de consumo, conectividad a la red, sector de consumo al que pertenece, niveles de fugas en la zona de influencia del punto, usuarios o número de viviendas que se abastecen del nodo, tipo de suministro (alimentación a través de un aljibe o directamente de la red). Un ejemplo de lo anterior pueden ser los denominados grandes consumidores. Estos generalmente están asociados a la industria, comercios, tiendas departamentales, escuelas, centros comerciales, entre otros. Dentro del modelo de simulación se coloca el consumo promedio que demandan este tipo de usuarios y se ubicarán en el nodo con proximidad, o bien se inserta un nuevo nodo a la red de distribución Puntos de inyección Son aquellos en los que se introduce agua en la red de distribución, y no son depósitos ni estaciones de bombeo. Estos normalmente son puntos que sustituyen a una estación de bombeo por dos razones: a) El modelo no se extiende hasta la estación; b) No se va modelar como tal. En ambos casos se requiere conocer su cota, registros históricos del caudal inyectado, curva de variación diaria y horaria del caudal inyectado y concentración de reactivos para el caso de simular un modelo de calidad del agua. 22