EXPERIENCIA EN LA CIUDAD DE LA HABANA PARA LA SIMULACIÓN DE REDES HIDRÁULICAS CON ENTREGAS A DEPÓSITOS.

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1 EXPERIENCIA EN LA CIUDAD DE LA HABANA PARA LA SIMULACIÓN DE REDES HIDRÁULICAS CON ENTREGAS A DEPÓSITOS. Jorge Alfonso Ordás * Empresa Aguas de La Habana Especialista en Modelos del Departamento de Pitometría y Modelos de la Dirección de Ingeniería y Obras. Ingeniero Hidráulico, ISPJAE, Cuba, 1991 MSc. Sanitaria Ambiental, ISPJAE, Cuba, 1996 MSc. Hidroinformática, IHE, Holanda, 2000 Miguel E. Alfonso Fleites Empresa Aguas de La Habana * 120 # 11304, e/ 113 y 115, Marianao, CP 19300, Ciudad de La Habana, Cuba. Tel.(537) jalfonso@aguas.colombus.cu RESUMEN. A partir de las características de abasto de agua a la Ciudad de La Habana, como son la entrega de agua por horarios y a depósitos, se presenta la experiencia en la aplicación de un método de simulación de redes hidráulicas que da respuesta satisfactoria a estas premisas. También se analizan las ventajas y desventajas de este método y un caso de estudio tomado de la práctica. Palabras claves: simulación, modelación, abastecimiento de aguas, Ciudad de La Habana. INTRODUCCIÓN. El abastecimiento de agua a la Ciudad de La Habana presenta características muy particulares por no brindar un servicio a la población durante las 24 horas del día. En su lugar se realizan suministros en horarios que oscilan entre 4 y 12 horas al día, incluso en días alternos (Metropolis,1996). Por otra parte, los caudales y presiones resultan insuficientes en algunos sectores (Metropolis,1996; Fernandez,1950). Dentro de las acciones que se acometen para dar solución a estas problemáticas están la rehabilitación de conductoras y redes, así como la ejecución de nuevas conductoras, ambas acciones con vistas a recuperar el agua que se pierde en fugas y ganar en presiones y gastos; sin embargo, la ejecución de los estudios previos para estos trabajos ha requerido la simulación de las situaciones existentes y las proyecciones para el futuro. Para la realización de estas simulaciones ha sido necesario la aplicación de métodos que den respuestas a las situaciones tan particulares como las expuestas anteriormente. PROBLEMÁTICA PRESENTADA. En el momento de codificar y concebir la red a modelar, nos encontramos dos problemas fundamentales, estos son: La división de las áreas de suministro en pequeños sectores limitados por válvulas cerradas y a los cuales se accede por uno o varios lugares y en horarios diferentes. Este aspecto trae consigo el inconveniente de no poder utilizar las curvas de consumo que recojan las 24 horas del día, sino que se deben generar tantas curvas de consumo como casos de suministro, ya sean por sectores o por horarios que se presenten en la zona a simular. El hecho de que el abastecimiento se realice por horarios obliga a la población a almacenar el agua en el tiempo en que se le suministra para consumirla durante todo el día. Este aspecto provoca que la red no trabaje completamente 1

2 presurizada, sino que continuamente se trabaja contra entregas en depósitos a la presión atmosférica. Por otra parte la distribución no se realiza uniforme, ya que los puntos altos no accederán al suministro hasta tanto los puntos bajos no tengan sus depósitos llenos. Este último aspecto puede falsear los resultados ya que cuando asumimos consumos fijos y estables en los nudos de entrega, estaremos asumiendo también que a todos se les está entregando grandes gastos (para suplir los horarios) en el mismo momento (Cabrera,1996). Esto trae como consecuencia que las pérdidas de carga se incrementen y es usual que ocurran incongruencias en el resultado de la simulación, como pueden ser entregas en zonas donde las presiones son negativas. Esto tiene una explicación matemática, ya que todos los algoritmos de los programas de simulación de redes cumplen con las premisas de que (Alfonso,1999): El gasto demandado al sistema es igual al gasto consumido en los nudos, independientemente de que exista la presión suficiente en los nudos para realizar esas entregas. Q demandada al sistema = Q demanda en los nudos Figura 1. Relación de presiones. La presión en el nudo aguas abajo es igual a la presión en el nudo aguas arriba, menos las pérdidas generadas en el tramo en cuestión y que dependen directamente del gasto que circula por el tramo, aun en el caso de que estas presiones sean negativas. P j = P i hf(q ij ) En la realidad lo que se produce es un balance de presiones, donde el gasto que entrega el sistema es solo el que es capaz de consumir los depósitos, de acuerdo con su ubicación altimétrica, y de la misma forma, solo se realizaran entregas donde es posible hidráulicamente realizarlas. Se debe destacar que ninguna de las condiciones antes descritas se producen en sistemas de abastecimiento con entregas estables de gasto y presión las 24 horas, es por eso que para las condiciones de suministro de la ciudad se haga necesario la utilización de algunos artificios que nos permitan superar estos inconvenientes en la simulación. DESCRIPCIÓN DE LA SOLUCIÓN PROPUESTA. La idea general para la simulación en las condiciones de la ciudad, está en tratar de acercarnos a lo que pasa en la realidad; esto significa, que la red hace su entrega a una cisterna o depósito y desde ella los consumidores toman el agua ya sea por gravedad o por el uso de rebombeos (figura 2), por lo tanto, la simulación seria la sustitución de un nudo de entrega por un conjunto de un depósito y un nudo de consumo en serie como se muestra en la figura 3. Cada uno de los elementos del esquema cumple su función específica como se muestra a continuación. Nudo de la red: es el punto en el que la red realiza su entrega de agua a los depósitos de los consumidores, en él se podrán calibrar las presiones según las mediciones efectuadas en la red, de la misma forma conforma el circuito general de la red de distribución. Depósito: simula las cisternas o depósitos que almacenan el agua durante el tiempo de entrega para ser consumido durante el resto del tiempo, su volumen debe estar en correspondencia con la población y los consumos que se estimen para cada nudo de entrega, de forma que sea capaz de almacenar el agua que se consume más la que se pierde por fugas intra y extra domiciliarias; además tienen la función de independizar la red del consumo como tal. Nudo de consumo: simula los consumos reales de los usuarios a la vez Figura 2. Cisternas con rebombeos y tanques sobre las casas caracterizan la situación actual. Figura 3. Esquema del nudo de entrega utilizando depósitos. 2

3 que demanda una entrega constante desde los depósitos que garantice que aunque estos estén llenos, sigan demandando agua aunque en pequeñas cantidades, como pasa en la realidad; el consumo de estos nudos debe estar en correspondencia con la población asociada al nudo y las dotaciones estimadas. Tramo con válvula de check: es un tramo ficticio que simula la acometida de la red al depósito, las características de este tramo deben ser calibradas según las particularidades de cada caso, pero para las condiciones de la ciudad hemos tomado el siguiente criterio. Población servida (habitantes) Diámetro (mm) > > > < La válvula de check tiene la función de impedir que una vez el agua dentro de los depósitos esta pueda salir. Tramo de entrega: también es un tramo ficticio que tiene la única función de conectar el depósito con el nudo de consumo. Con la utilización del método presentado se logra dar una respuesta satisfactoria a las premisas de cálculo que se presentaban anteriormente, ya que el gasto demandado por el sistema será igual a la suma de los gastos que entran a los depósitos de los consumidores, pero cada depósito captará el agua que el sistema sea capaz de suministrarle de acuerdo con las presiones en cada punto y en cada horario, quedando superada la contradicción que habíamos expuesto antes o al menos queda resumida a la entrega desde los depósitos a los consumidores según el esquema que asumimos y esta puede ser corregida calibrando los consumos en los nudos de mayores problemas. Por otra parte el hecho de que la entrega se realice a depósitos distribuidos por toda la red y no a consumos preestablecidos, posibilita que se realicen entregas solo en los lugares donde las condiciones hidráulicas lo permiten, evitándose con esto que el sistema deba cumplir con gastos en los lugares donde no le es posible garantizarlo y por lo tanto calcule presiones negativas que se alejan de la realidad. CASO DE ESTUDIO. Para analizar la experiencia exponemos una red simulada utilizando entregas directas desde la red y utilizando los depósitos con consumos. Se ha escogido un sector de bombeo del Sistema Central del acueducto de la Ciudad de La Habana. A partir de mediciones efectuadas a la entrada del sistema y en diferentes puntos de la red se determinaron los gastos distribuidos y las presiones; de la misma forma se estimaron las poblaciones distribuidas en el área de estudio, así como las entregas puntuales a zonas industriales. Con los datos anteriores y valiéndonos de los planos de la red se codificó la información y se introdujo en el programa de computo que en este caso se han utilizado el EpaRed (Aguas Habana) (Alfonso,2001) y Epanet (USEPA) (Rossman,2000). El sistema en si está formado por una estación de bombeo con un sistema de impulsión que entrega a la zona alta del municipio Plaza de la Revolución y a la zona industrial del Martí. El sistema funciona desde las 5:00am hasta las Figura 4. Ubicación del caso de estudio 5:00pm, pero con una operación de válvulas a las 12pm donde se cierra la zona industrial del Martí y se abre el ramal a Nuevo Vedado. Para la variante de entregas directas, se generaron curvas de modulación que provocan que algunos sectores demanden agua en determinados horarios, mientras que en otros obliguen a que las demandas sean nulas, de esta forma y utilizando 5 curvas de consumo diferentes se simula la entrega por horarios que ocurre en la realidad. 3

4 Para la variante de entrega a depósitos se calculó el volumen de cada uno. Se tomó como criterio fijar la profundidad de los depósitos en 2.0m, por lo que el diámetro variará en función de la población asignada (similar para las dos variantes), así como las demandas de los nudos de consumo, de esta forma, si habilitamos una escala de colores, se podrá determinar gráficamente las zonas con dificultades para acceder al agua, así como el comportamiento de los niveles en los depósitos en el tiempo. Luego de realizar la primera corrida se capturaron los valores de los niveles finales de los depósitos y fueron sustituidos por los niveles iniciales para la segunda corrida, este proceso se repitió hasta que las diferencias entre los niveles iniciales y finales fueran insignificantes. Luego de analizar las principales características de ambas variantes exponemos algunos resultados de las corridas. En la figura 5 se muestra una secuencia de imágenes que ilustra el comportamiento del sistema según la simulación con entrega a depósitos. En el se aprecia como fluctúan los niveles de los depósitos lo que denota el momento en que reciben de la red y en el que entregan a los usuarios, de la misma forma se muestra como la distribución no es uniforme, sino que los puntos bajos reciben con preferencia a los altos, sin embargo el sistema entrega durante todo el período como ocurre en la realidad. Las zonas donde el sistema muestra problemas de entrega coincide con zonas afectadas. Figura 5. Comportamiento del sistema en el tiempo con entrega a depósitos. La figura 6 recoge la secuencia de imágenes para la simulación con entrega directa, se puede determinar una amplia zona con presiones negativas durante todo el período, a pesar de que los gastos a la salida de la estación de bombeo y en los nudos de consumo en el área no disminuyen. Si confrontamos esta variante con las mediciones reales podemos detectar que en la zona que el modelo predice presiones negativas, en realidad son positivas aunque bajas. Por otra parte los volúmenes de entrega que el modelo reporta como similares (en función de la población abastecida), son diferentes en la realidad ya que en esta área se encuentran sectores con bajas presiones y faltas de agua. 4

5 Buscando qué respuesta brinda la variante de entrega a depósitos podemos constatar el comportamiento diferenciado de la entrega como se presenta en la figura 7. Mientras que algunos depósitos alcanzan los máximos niveles tan pronto como la red le suministra, producto de los gastos que reciben; existen otros que solo comienzan a elevar sus niveles cuando los primeros se llenan, por último existen los que apenas reciben suministro, estos coinciden con las zonas afectadas por bajas presiones y falta de agua. Debe destacarse que se asumió una dotación constante para calcular las demandas de los depósitos, esta se corrigió de forma que las entregas desde la fuente (en este caso la estación de bombeo) coincidieran con las entregas reales; luego de realizar los análisis se puede detectar puntos favorecidos donde el nivel en los depósitos se mantienen altos a pesar de los consumos constantes, esto denota que en estas zonas las pérdidas de agua ya sean por fugas en la red o intra domiciliarías, son altas y por tanto las dotaciones mas altas que las asumidas; mientras que en los lugares donde los niveles de los depósitos se mantiene por largo tiempo en cero, denotan que presentan consumos inferiores a las dotaciones asumidas. Figura 6. Comportamiento del sistema en el tiempo con entrega directa. Como se aprecia en las figuras 5, 6 y 7, la utilización de una escala de colores facilita la determinación de forma gráfica de las zonas con bajos niveles de suministros (rojo) o de alta garantía de abasto (azul), mientras que las variaciones de los colores en el tiempo muestran los momentos en que los depósitos están recibiendo agua de la red, así como los momentos en que entregan agua a los usuarios; este método resulta de gran utilidad para el análisis de variantes en el caso del suministro de agua en la ciudad. A modo de comparación entre las variantes se presenta la figura 8 donde se muestra el mapa de curvas de isopresión a las 12pm para ambas simulaciones, se puede apreciar en la entrega directa como existe una gran área con presiones inferiores a cero, mientras que en la entrega a depósitos estas zonas de presiones negativas son mínimas debido al balance que realiza el sistema. Las razones por lo que esto sucede ya han sido analizadas pero comparando ambas variantes podemos constatar como la simulación con entrega a depósitos presenta unos resultados más cercanos a la realidad. Figura 7. Niveles de los depósitos en el tiempo. 5

6 Entre los inconvenientes que podemos señalar a partir de la experiencia está el que se hace mayor la entrada de datos ya que como concepción se sustituye un nudo por un conjunto que comprende depósito, nudo y dos tramos. Otro inconveniente es que las corridas se hacen más lentas, una vez que el balance de gastos y presiones entre todos los nudos de la red se hace más complejo. Figura 8. Mapa de curvas de isopresión para la hora 12:00pm EJEMPLO PRÁCTICO. Luego de exponer las principales características de las experiencias desarrolladas, presentamos un ejemplo de mayor magnitud. Se trata de la simulación de gran parte del sistema central de abastecimiento de agua de la Ciudad de La Habana, que comprende los municipios de Habana Vieja, Centro Habana, Plaza y parte del Cerro, de la misma forma comprende los sistemas hidráulicos de Gravedad, Bombeo de Palatino y Cuenca Plaza. A partir de los resultados obtenidos se han analizado variantes de mejoras en la red de distribución de agua, como han sido los proyectos de las conductoras Palatino Centro Habana y Palatino - Marino, así como la tubería de calle Clavel y la rehabilitación de los municipios Centro Habana, Habana Vieja y Cerro. En la figura 9 se muestra una pantalla de Epanet con una de las corridas del Sistema Central, en este caso específico se analiza la repercusión de la rehabilitación del área de Habana Vieja, tanto en las mejoras en el suministro de agua en al área rehabilitada como en el balance de aguas en el nudo de distribución (Nudo de Palatino), con vistas a prever su influencia en otras áreas del sistema. Este mismo análisis efectuado con anterioridad, pero sin considerar la entrega a depósitos, suponía presiones por encima de los 20 m en toda el área rehabilitada, sin embargo, la aplicación de la experiencia presentada en este trabajo permitió prever zonas de bajas presiones en las partes más altas del área y posibilito buscar soluciones satisfactorias antes de acometer los trabajos. Todos los análisis efectuados a partir de los resultados de las corridas de entrega a depósitos resultaron ser más realistas ya que anteriormente se utilizaban las premisas de cálculos según los criterios de proyecto, respetando las normas establecidas para estos casos, las cuales prevén gastos y presiones satisfactorios en toda la red, pero de la práctica es conocido que en las condiciones de suministro de la Ciudad de La Habana estas premisas no se cumplen del todo, precisamente por el suministro por horarios y la entrega a cisternas(simon,1984). A partir de la experiencia adquirida con estas variantes se prevé una mayor facilidad para realizar la calibración de los modelos y una mayor efectividad para analizar variantes de mejoras una vez que se disponga de las redes modeladas. 6

7 Figura 9. Pantalla de Epanet con una corrida del Sistema central de suministro de la Ciudad de la Habana CONCLUSIONES. Con este trabajo se logra una adaptación a la simulación de las redes hidráulicas para las condiciones de la Ciudad de La Habana y que puede ser aplicada a cualquier red que presente las mismas condiciones de suministro a depósitos o por horarios. De la calibración previa de los resultados se ha comprobado un comportamiento de la simulación más cercano a la realidad, debido a un enfoque más realista de los problemas. Por otra parte el uso de la metodología presentada ha significado un paso de avance en el análisis de las acciones necesarias para mejorar el suministro de agua en la ciudad; de la misma forma ha permitido simular por primera vez zonas con problemas de falta de agua y bajas presiones, así como zonas con grandes pérdidas de agua. Debe destacarse el buen efecto logrado a partir de la representación gráfica del nivel de los depósitos con colores, lo que permite resaltar las áreas con dificultades en el suministro así como las áreas con mejores índices de abasto. El uso de estas representaciones gráficas animadas en el tiempo, ha brindado una magnífica ayuda en la comprensión de la problemática del suministro de agua en al ciudad. Un aspecto que no puede dejarse pasar por alto es el efecto negativo que significa el suministro por horarios y a depósitos, que provoca que la red se encuentre imposibilitada de ganar en presiones por encontrarse entregando a consumidores con capacidad de almacenar todo el agua que el sistema es capaz de brindarle (cisternas) y a la presión atmosférica; por otra parte, como el suministro es por horarios, la población se ve obligada a disponer de depósitos para almacenar el agua que consumirán en el día, esto hace pensar que las mejoras en el suministro a largo plazo deben incluir la solución de horarios y los depósitos conjuntamente con vista a mejorar las presiones en la red. RECOMENDACIONES. Primeramente debemos señalar que a pesar de los alentadores resultados obtenidos con la aplicación del método presentado, este debe continuar siendo perfeccionado, sobre todo en el aspecto referente a las características de los tramos entre la red y el depósito y entre este y el nudo de consumo. 7

8 A partir de la experiencia adquirida en Cuba en el diseño de programas de computo de redes hidráulicas como el RED y más recientemente el EPARED, nos proponemos incluir un tipo de nudo que comprenda dentro de sí los elementos del nudo de entrega utilizando depósitos que se ha presentado con este trabajo, este aspecto solucionaría el inconveniente de la entrada de datos. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS. Grupo de Proyectos para el estudio sobre los Ciclos del Agua en la Habana Metrópolis-Unión Europea. Informe de la situación actual del abastecimiento de agua y el saneamiento. Ciudad de La Habana Fernandez Simón, Abel. Memoria Histórico Técnica de los Acueductos de la Ciudad de La Habana. I parte, La Habana Cabrera Marcet E. y autores varios, Ingeniería hidráulica aplicada a los sistemas de distribución de agua. Universidad Politécnica de Valencia Alfonso Ordás. J., Creación de las bases para el estudio con modelos de la red de distribución de agua potable Experiencia cubana. Revista Voluntad Hidráulica, Cuba, 1999 Tecnología del Agua. Abastecimiento de aguas. Redes de distribución. Terrassa-Barcelona Alfonso Fleites. Miguel E., EpaRed, Manual de Usuario, Aguas de la Habana, Rossman, Lewis A., EPANET 2. User Manual. United State Environmental Protection Agency Simón Arocha R., Abastecimientos de aguas, teoría y diseño. Ediciones Vega