Aplicación de Programa de Cómputo

Análisis y Simulación de Redes de Distribución de Agua para casos de Emergencias Aplicación de Programa de Cómputo Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo f20016018@uni.edu.pe ysanchez@sedapal.com

Herramientas de Cómputo para la Prevención, Detección y Respuesta en situaciones de emergencia Sistemas de Información Geográfica Programas de Cómputo Programas para la simulación y análisis de Redes de Agua Potable y Alcantarillado

Qué es un GIS SIG? Es un sistema de computación que utiliza información locacional en coordenadas de longitud y latitud, para mapear información para mejor análisis. Un SIG es importante para diversos Estudios. En el caso de la prevención en Sistemas de Distribución de Agua, durante la planificación se puede mapear tanto la planimetría de la localidad, mapa de la red de distribución de agua, mapa de riesgos a desastres naturales u otros. Con todo ello se puede identificar que componentes del sistema son vulnerables. Manzanas y lotes Cómo funciona un SIG Red de vías Red de agua y desagüe Mapas de riesgo

Vista Mapa interactivo Tablas Mapas de riesgos Se generan mapas de zonificación del peligro e identifican los componentes más expuestos a diferentes amenazas. Arc View - GIS

ANÁLISIS Y SIMULACIÓN N DE REDES DE DISTRIBUCION DE AGUA El análisis y simulación de redes se realiza para investigar la relación compleja que existe entre las características de la red, la demanda de los consumidores (Doméstico, comercial, Industrial y público), los caudales y cargas en un momento determinado. Básicamente se calcula caudales, presiones y valores asociados en un momento determinado, mediante un cálculo hidráulico (al modelo matemático). Aplicaciones del análisis y simulación de redes: Conocer el comportamiento de los sistemas de distribución de agua. Estimación de niveles de servicio. Diseño de nuevos sistemas. Evaluación dela capacidad de conducción de la red existente. Uso eficiente y/o reforzamiento de las redes existentes. El planeamiento contingente. Solución de las redes para diferentes escenarios y alternativas.

ANÁLISIS DE FLUJO PERMANENTE - ANÁLISIS ESTATICO En este tipo de análisis de flujo permanente se conoce los diámetros de todos los tramos de la red, los niveles en los tanques y las demandas en los nudos, y se busca la distribución de caudales y presiones en la red, en condiciones de demanda y niveles constantes. ANÁLISIS DE FLUJO NO PERMANENTE - ANÁLISIS DINAMICO - SIMULACIÓN DE PERIODOS EXTENDIDOS - SIMULACIÓN CONTINUA - SIMULACIÓN EN EL TIEMPO. En una red de agua potable la demanda varía durante el día, y con ello los niveles en los tanques y la operación de la bomba y se busca la distribución de caudales y presiones en la red para diferente instantes del día (Ejemplo cada hora). Se puede decir que un análisis de flujo no permanente es una secuencia de estados de flujo permanente con diferentes demandas en cada estado.

CAUDALES DE DISEÑO DE UNA RED DE DISTRIBUCION DE AGUA Consumo Máximo Caudal máximo horario = Q mh Consumo Contra Incendio Caudal máximo diario + Caudal contra incendio = Q md + Q incendio Consumo Mínimo Caudal mínimo = Q mín CURVA DE VARIACIONES HORARIAS DE CONSUMO DOMESTICO Hora Coeficiente de Variación Horaria Caudal Horario 1:00 K 1 Q 1 = K 1 * Q p 2:00 K 2 Q 2 = K 2 * Q p 75 70 Caudal Máximo ( Qmáx) = 67 lps 3:00 K 3 Q 3 = K 3 * Q p 4:00 K 4 Q 4 = K 4 * Q p 65 5:00 K 5 Q 5 = K 5 * Q p 60 55 6:00 K 6 Q 6 = K 6 * Q p 7:00 K 7 Q 7 = K 7 * Q p 8:00 K 8 Q 8 = K 8 * Q p 50 9:00 K 9 Q 9 = K 9 * Q p 45 10:00 K 10 Q 10 = K 10 * Q p GASTO (lps) 40 35 30 Caudal Promedio ( Qp ) = 39 lps 11:00 K 11 Q 11 = K 11 * Q p 12:00 K 12 Q 12 = K 12 * Q p 13:00 K 13 Q 13 = K 13 * Q p 14:00 K 14 Q 14 = K 14 * Q p 25 15:00 K 15 Q 15 = K 15 * Q p 20 16:00 K 16 Q 16 = K 16 * Q p 15 10 5 Caudal hora i Coeficiente de variación horaria (Ki) = ---------------------- Caudal Promedio 17:00 K 17 Q 17 = K 17 * Q p 18:00 K 18 Q 18 = K 18 * Q p 19:00 K 19 Q 19 = K 19 * Q p 20:00 K 20 Q 20 = K 20 * Q p 0 21:00 K 21 Q 21 = K 21 * Q p 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 HORA 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 22:00 K 22 Q 22 = K 22 * Q p 23:00 K 23 Q 23 = K 23 * Q p 0:00 K 24 Q 24 = K 24 * Q p

DIAGRAMA DE FLUJO DEL CALCULO DE UNA RED DE DISTRIBUCÍÓN DE AGUA Viene Modelamiento del Sistema Predimensionamiento de la Red Cálculo de los diámetros de los tramos Cálculo Hidráulico Métodos de Verificación Permiten hallar el flujo real por cada tramo Programas de Cómputo Cálculo de: Velocidad (V) en los tramos. Presión (P) en los Nudos No Presión? Velocidad? Sí Va

PROGRAMAS DE COMPUTO UTILIZADOS EN EL ANALISIS Y DISEÑO DE REDES DE DISTRIBUCION DE AGUA Existen gran cantidad de programas de cómputo para el cálculo hidráulico de redes de distribución de agua desarrollados en diversos países. La mayoría de los programas que trabajan en entorno Windows, tienen las siguientes características: Digitalización de los planos de agua potable, incluyendo la planimetría de calles y el trazo de tuberías. Análisis Estático de la red digitalizada. Análisis Dinámico de la red digitalizada. Consideración de tanques, bombeo, válvulas reductoras de presión, válvulas sostenedoras de presión, válvulas de control de flujo y otros. Edición manual de los cruceros. Isolíneas de terreno, presión, elevación piezométrica y otros. Manejo de un número ilimitado de tramos y nudos. Actualización de la información digitalizada, y edición de los datos sobre el dibujo en AutoCAD, o en su propio entorno gráfico o en tablas. Planeamiento contingente ( Qué sucedería si?)

KYPIPE - PIPE2000 Origen Universidad de Kentucky Estados Unidos Aplicación Análisis Hidráulico - Análisis de Flujo permanente Análisis Hidráulico - Análisis de Flujo no permanente Calidad de Agua Método de solución Teoría Lineal Entorno MS-DOS Windows Componentes Hidráulicos Embalses - Tanques Válvulas reductoras y sostenedoras de presión Bombeo de velocidad fija o variable y otros. Presentación de Resultados Por pantalla Tablas Gráficas Archivos de texto Desventaja No diseña Lenguaje de Programación Lenguaje C Home page en Internet http://www.engr.uky.edu/ce/kypipe Ventana de presentación del programa KYPIPE PIPE2000 Total Modeling Package (KY.TMP) Pricing - DOS Version Pipes Standard Version* Professional Version** 50 $195 $395 250 $495 $995 1000 $995 $1995 add $250 for each additional add $500 for each additional 2000-6000 1000 pipes 1000 pipes

Planimetría y trazado de redes en el MODULO KYCAD Tablas para ingreso de datos y visualización de resultados. Perfil de la línea de impulsión generado en el MODULO KYGEMS

Cálculo del flujo contra incendios. Ventanas de ingreso de datos Curvas de la bomba. IMÁGENES DE ALGUNAS CARACTERÍSTICAS DE KYPIPE 2000

Origen Aplicación Método de solución Entorno Componentes Hidráulicos Presentación de Resultados Ventaja Desventaja Lenguaje de Programación Home page en Internet EPANET Enviromental Protection Agency EPA Estados Unidos Análisis Hidráulico - Análisi de Flujo permanente Análisis Hidráulico - Análisi de Flujo no permanente Calidad de Agua Teoría Lineal MS-DOS Windows Embalses - Tanques Válvulas reductoras y sostenedoras de presión Bombeo de velocidad fija o variable y otros. Por pantalla Tablas Gráficas Archivos de texto Distribución Gratuita No diseña Lenguaje C http://www.epa.gov

H2O NET Compañía Montgomery USA

Origen Aplicación Método de solución Entorno Componentes Hidráulicos Presentación de Resultados Desventaja Lenguaje de Programación Home page en Internet LOOP Banco Mundial Análisis Hidráulico - Análisi de Flujo permanente Método de Hardy Crooss - Métod de Newton Raphson MS-DOS Embalses - Tanques Válvulas reductoras de presión Válvulas check Bombeo Por pantalla Tablas Gráficas (Perfiles) No diseña Lenguaje Basic http://www.

Origen Entorno Gráfico Aplicación Método de solución Entorno Componentes Hidráulicos Presentación de Resultados Desventaja Lenguaje de Programación Home page en Internet WATERCAD Haestad Methods Estados Unidos WaterCAD for AutoCAD - CYBERNET WaterCAD Stand Alone Análisis Hidráulico - Análisi de Flujo permanente Análisis Hidráulico - Análisi de Flujo no permanente Calidad de Agua Método de la Gradiente MS-DOS Windows Embalses - Tanques Válvulas reductoras y sostenedoras de presión Válvulas check, control de flujo, accesorios Bombeo de velocidad fija o variable y otros. Por pantalla Tablas Gráficas Archivos de texto No diseña - Costoso Lenguaje C - Autolisp http://www.haestad.com

WATERCAD STAND ALONE PROPIO ENTORNO GRAFICO Barras de herramienta Menúes despegables Opciones Ventana de Dibujo Barra de estado Barras de Desplazamiento

WATERCAD FOR AUTOCAD

SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE Conjunto de estructuras, instalaciones, equipos y servicios; que dará servicio a una población en forma continua y de buena calidad. CAPTACION Fuente superficial Qmd CAPTACION Fuente sub -superficial Qmd PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA CRUDA L.C. de agua cruda Qmd Estación de Bombeo CAPTACION Fuente Subterránea L.C. por gravedad Qmd L.C. de agua tratada Qmd Línea de Impulsión L.C. por bombeo 24 Qb = ----- x Qmd N RESERVORIO Línea de Aducción Qmh Qmd + Qci Qmín OBRAS DE CAPTACION OBRAS DE CONDUCCION OBRAS DE PURIFICACION OBRAS DE DISTRIBUCION RED DE DISTRIBUCION Qmh Qmd + Qci Qmín Pozo Profundo PRODUCCION DISTRIBUCION

CODIFICACION DE LA RED MATRIZ Leyenda Reservorio Numeración de Tramo Numeración de Nudos

PROTOTIPOS DE LOS COMPONENTES DE UNA RED DE DISTRIBUCION DE AGUA Tubería a presión Tramo Unión a presión Nudo (N) Tanque de almacenamiento (TA) Reservorio Embalse P.T. Bomba Válvula de Control de Flujo Válvula Reductora de Presión Válvula Sostenedora de Presión Válvula Rompedora de Presión Válvula de control (Impedimento)

CAPTACION TANQUE ESTACION DE BOMBEO CISTERNA

FORMATO DE DATOS DEL RESERVORIO Reservorio : Estructura hidráulica donde el nivel de agua se considera constante. Con este Prototipo se modela: Embalses, plantas de tratamiento, captaciones,etc. Reservorio X (m) Y (m) Elevación (m) R-1 400 900 405

FORMATO DE DATOS DEL TANQUE Tanque: Estructura hidráulica donde el nivel de agua es variable en el tiempo. Tanque Elevación Base (m) Elevación Mínima (m) Elevación Inicial (m) Elevación Máxima (m) R-1 420 420 425.00 425.00

VENTANAS DE INFORMACION DEL TANQUE

FORMATO DE DATOS DE TRAMO TUBERÍA A PRESION Tramo: Tubería a presión que interconecta una estructura hidráulica con otra. Tramo De Nudo A Nudo Longitud (m) Diámetro (mm) Material Coeficiente de Friccion T-01 R-01 N-01 800 300 PVC 140

FORMATO DE DATOS DE LOS NUDOS Nudo: Prototipo que representa consumo o demanda de agua o un ingreso de agua al sistema. Nudo X (m) Y (m) Cota de Terreno (m) N-01 400 900 405 Caudal de Influencia (lps) N-02 0 900 400 8.40

FORMATO DE DATOS DE BOMBA Bomba: Elemento hidráulico que permite incrementar presión al sistema.

MODELAMIENTO - BOMBA ESTACION DE BOMBEO Curva de Abatimiento Motor Tubería de succión Tubería de descarga Nivel Dinámico Nudo de ingreso a la Red de Distribución ESTACION DE BOMBEO Cisterna Motor Tubería de descarga Nivel Dinámico Tubería de succión Nudo de ingreso a la Red de Distribución Rejilla Bomba (Pump) Tubería de succión Tubería de descarga Nudo de ingreso a la Red de Distribución Pozo profunda (Reservoir)

Válvula Reductora de Presión VRP X (m) Y (m) Dámetro (mm) Elevación (m) Gradiente Hidráulico VRP-1 VRP son usadas para separar zonas de presión, estas válvulas previene que la presión aguas abajo excedan un nivel de presión establecida.

Válvula Sostenedora de Presión VSP X (m) Y (m) Dámetro (mm) Elevación (m) Gradiente Hidráulico VSP-1 VSP mantiene una presión especificada aguas arriba de la válvula.

Análisis de Riesgo Vulnerabilidad del Sistema Papel de las Empresas Conocer sus sistemas tanto física como operacionalmente Prevención Detección Respuesta

Prevención El entendimiento profundo de nuestro sistema es la mejor arma de prevención Que significa estar preparados? Zonificación de riesgo Diseñar planes operativos de emergencia Crear escenarios de demanda de emergencia Crear situaciones y soluciones hipotéticas Estudios de vulnerabilidad de propagación Herramientas disponibles Simulación en tiempo extendido (EPS) Manejo de escenarios Controles lógicos Calibración Ágil manejo

Tomar la decisión correcta Cuales válvulas cierro? Que hidrante utilizo? Que le sucederá a mi sistema? Cual es la opción más efectiva? Como viaja el contaminante? Tengo suficiente cloro residual?

Modelos hidráulicos para respuesta de emergencia A tener en cuenta Análisis en período extendido Configuración de controles Calibración del modelo Pasos para la modelación Ajustar demandas Configurar condiciones iniciales Determinar escenarios de operación Correr modelo Interpretar resultados

Demostración WaterCAD 4.5