02 - ayuda memoria

8/6/2019 02 - Ayuda Memoria

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I Conceptos Bsicos Curso WaterCAD/GEMS

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3 2008 Bentley Systems, Incorporated

Presiones sobre los Recursos Hdricos Aumento de la Demanda (Agrcola, Industrial y ConsumoHumano)

Prdida de Reservas (Agua de Fcil Acceso)

Contaminacin en Recursos Superficiales y Subterrneos

Descenso de Niveles Freticos

Salinizacin de Acuferos

Fuentes de Contaminacin de Agua

Vertido de Aguas Residuales Domsticas Urbanas no tratadas

Vertido de Desechos Industriales

Vertido de Productos Qumicos usados en Agricultura Derrames de Petrleos y Aceites

Desechos vertidos en Minas y Pozos Abandonados

Problemtica Actual del Abastecimiento yCalidad del Agua (2/2)


Conceptos Bsicos en Hidrulica

Principios bsicos

Flujo

Velocidad

Presin

Conservacin de Masa

Conservacin de Energa

Prdida de Carga

Prdidas Menores

Mtodos de Solucin


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Tipos de Flujo (Clasificaciones)

Compresible vs. Incompresible

Laminar vs. Turbulento

Tubera Cerrada vs. Canal Abierto

Tubera Llena vs. Parcialmente Llena

Newtonianos vs. No-Newtonianos

Fase nica vs. Fase Mltiple


Flujo

Volumen / Tiempo

Unidades Comunes:

m3/s metros cbicos/segundo (SI) l/s litros/segundo m3/hr metros cbicos/hora ft3/s pies cbicos/segundo (FPS)

gpm galones/minuto MGD millones de galones/da ac-ft/day acre-pies/da


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Velocidad

Velocidad = Flujo / reaEcuacin de continuidad V = Q/A

Unidades Comunes:m/s - metros por segundofps - pies por segundo

Rango de Valores en Sistemas deDistribucin

- Tpico: 0.6 1.2 m/s.- Alto: 1.5 2.5 m/s.- Muy alto: > 3.0 m/s


Presin

psi Libras /pulgadas cuadradas (tpico US).

Newton/m2 - Pascal (SI).

kPa Kilo Pascal.

bar 100 kPa. psf Libra/pie cuadrado.

atm Atmsfera (14.7 psi 10.33 mca).

Importante el Concepto de

Presin Manomtrica vs. Presin Absoluta

Fuerza / reaUnidades Comunes:


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Estndares de Presin(En Redes de Distribucin)

Mnimo 15 m H20

Mnimo normal 20, 25, 30 m H20

Mximo 40 60 m H20

Qu rangos maneja su Empresa?


Ec. Conservacin de Masa

Masa ENTRA = Masa SALE

SQi U = 0

Donde,

Qi = flujo en la tubera i-sima que entra en el nodo.

U = Consumo del nodo

Para un flujo incompresible bajo condicionesestticas:


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Conservacin de Masa conAlmacenamiento

Donde,dV/dt = Cambio en almacenamiento (L3/T)

Para condiciones de modelacin en tiempoextendido, existe acumulacin de agua en ciertosnodos (tanques).

SQi- U dV/dt = 0


z1 +p1/g+ V12/2g + Shp = z2 + p2/g+ V22/2g +ShL +ShM

Donde,z = Elevacinp = Presing = Peso especifico

V = Velocidadhp = Carga agregada por BombashL = Prdidas por friccin

hM= Perdidas menores

Ec. Conservacin de Energa

La diferencia de energa entre dos puntos es la mismasin importar el camino tomado.


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Conservacin de Energa

Se consideran entonces en la Ecuacin Bsica,3 formas de energa:

(1) Presin -p /g(2) Velocidad - V2/ 2g (Se ignora en ocasiones)(3) Elevacin -z

Donde,P= presing = peso especifico del flujoV = velocidad

g = aceleracin gravitacionalZ= elevacin


Lneas de Carga

Carga EstticaElevacin + Presin = Lnea Piezomtrica (HGL)

Carga Total

C. Esttica + Carga de Velocidad = Lnea de Energa (EGL)

D Carga = diferencia carga entre puntos


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El Flujo se transmite desde Cargas masAltas a Cargas mas Bajas.

Direccin de Flujo

Prdidade

Carga

HGL


Ecuaciones de Prdidas

Relaciones empricas en flujo turbulento

Darcy-Weisbach Colebrook-White (No explcita)

Swamee Jain (Aproximacin)

Hazen Williams Manning


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Formulacin Darcy-Weisbach

Donde,h = prdida de carga f = factor de friccinL = longitud D = dimetroV = velocidad g = aceleracin por gravedad

Factor de Friccin f (rugosidad, No. de Reynolds)

Re = V D /n, donde n es la viscosidad cinemtica

Factor de friccin depende de las condiciones de flujo

(Principal Defecto de Ecuacin de Hazen-Williams)

h = f LD

V2g

2


Estimacin del Factor de Friccin f

DV

f

hL

L D

V 22 g

NR

DV

v

e/D

f=RN

64

Drawn TubingSteel or wr ought ironAsphalted cast ironGalvanized iron

Cast ironWood stave

ConcreteRiveted steel

0.0000050.000150.00040.0005

0.000850.0006 - 0.003

0.001- 0.010.003 - 0.03

e, ft. e,mm

0.00150.0450.120.15

0.250.18 - 0.9

0.3 - 30.9 - 9

Diagrama de MoodyEcuaciones Analticas Colebrook-White

Swamee-Jain


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Formulacin de Hazen-Williams

)CV(DkL=h1.85

1.16

Donde,D = Dimetro (en ft o m)V= Velocidad (en fps or m/s)C= Hazen-Williams factor-CL = Longitud en pies o metrosk= 6.79 para V en m/s, D en m k= 3.02 para Ven fps, D en fth y L: en las mismas unidades de longitud.

Se deben verificar los Rangos de Validez !!


Hazen-Williams: Determinacin Coef. C

Factor C Medido en el campo Obtenido en calibracin

Tuberas rugosas factores C menores

Especifico para el sistema

Valores Tpicos 150 muy suave. 130 diseo tpico. 40 tuberas viejas con tuberculacin.


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Valores Coef. de Rugosidad Hazen-Williams (C)

Material de Tubera CCemento Asbestos 140Bronce 130-140Alcantarillado de Ladrillo 100Hierro Fundido

Nueva, sin recubrimiento 13010 aos 107-11320 aos 89-10030 aos 75-9040 aos 64-83

Concreto con recubrimiento. 140Molde de Acero Girado Centrifugadamente 135Cobre 130-140Hierro Galvanizado 120Vidrio 140Plomo 130-140

Plstico 140-150AceroEsmalte de alquitrn de carbn, 145-150Ribeteado 110

Hojalata 130Cermica Vitrificada (Cond. Buena) 110-140


Formulacin de Manning

V = Co R2/3 (h/L)1/2/ n

h = cfL n2 V2/ d 1.33Donde,Co = 1.49 para unidades Inglesas y 1.0 para unidades mtricasV = velocidad (fps o m/s)R = Radio Hidrulico = rea/permetro mojado (ft o m)h = Prdida de carga (pies o metros)

L = longitud (pies o metros)n = Coeficiente de rugosidad de Manning

Material n

Tubera Lisa 0.009Cemento de Granulometra fina 0.010Tubera AC 0.011Concreto Ordinario 0.013Hierro Fundido 0.015


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Comparacin de Ecuaciones de Friccin

Darcy-Weisbach Manning Hazen-Williams

Todos los fluidos Agua solamente Agua solamente

Difcil obtener f Fcil de obtener n Fcil de obtener C

Para todos losregmenes

Flujo turbulento Flujo laminar

No es usadacomnmente en

USA

Usada comnmentepara Alcantarillado

sanitario

Usada comnmente enUSA

h a L V2 / D L V2/ D1.33 L V1.85/ D1.16


Prdidas Menores

Prdidas localizadas causadas por: Accesorios Codos Vlvulas

Descritos por el coeficiente Km en la siguiente

Ecuacin:h = Km x V2/2g

DondeKm= Coeficiente de Prdidas menoresh= Prdida de carga causada por Prdidasmenores


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Valores Tpicos de Coef. De PrdidasMenores


1. Coeficiente Adimensional (km - Ec. Tpica).

2. Coeficiente de Prdidas referido al Caudal (K).

3. Factor de Flujo (CV).

4. Coeficiente de Descarga (CD)

Los Coeficientes se relacionan todos entre si, con ecuacionesde equivalencia. Por Ejemplo:

Prdidas Menores para Vlvulas

g

vkmHm

2

)(2

2)( QKHm

sp

QCv

/)(

D

Existen diversos coeficientes para cuantificar las prdidas de Energaal pasar el Flujo a travs de un Vlvula.

22

)(vhmg

vCD

1

1)(

kmC

D

22

)(OAg

kmK

2

2

0

)(

20)(

Cv

Agkm


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Representacin de la Red

NODO NODOCONEXION

NODOS: Uniones, Tanques y Reservorios.

CONEXIONES: Tubos.

HIBRIDOS: Las Bombas y Vlvulas, tienenconvencin de Nodos, pero secomportan como conexiones.


Formulacin Bsica del Anlisis (1/3)

Nu

i

D

S

i

e QQ11

2 3

5 64

1

Q14

Q12 Q23

Q36

Q45 Q56

Qe3

QD6

Q25

8 97

Q47 Q69

Q78 Q89Qe6

Q58

Qe1

QD5QD4

QD2

QD8QD7

-Para toda la Red de Distribucin:Donde Ses el numero de Fuentes y Nuel nmero de Nodos en la Red

Ec. de Conservacin deMasa en Red y Nodos

- Para cada nodo en particular:Donde Nties el nmero de tuberas quellegan al Nodo i y Qij es el Caudal que vadel Nodo ialj. Puede ser positivo onegativo (s/n sentido)

01

NTi

i

Diij QQ(I)

12 Lneas

9 Nodos

4 Circuitos

L > N-1


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Para cada lnea se puedeplantear la siguiente ecuacinde Energa entre los nodos iyj. De la siguiente manera:

En trminos de Caudales:

Anlisis entre Nodos


Dl

fkmg

V

hfhmHH ijij

ji2

2

ij

ij

ij

ij

ij

jiD

lfkm

Ag

QHH

2

2

2

ij

ij

ij

ij

ji

ijAg

D

lfkm

HHQ

2

2/1

Despejando Qij, obtenemos:

Reemplazando en laEcuacin (I) deConservacin de Masaen Nodos, tenemos:

022/11

Diijji

NTi

j

ij

ij

ij

jiQAgHH

D

lfkm

HH

Ecuaciones de AlturaPiezomtrica (EH)

(II)


Para cada circuito cerrado, podemos estimarla Ec. De conservacin de Energa as:Siendo NTi el nmero de tubos del circuito

Utilizando Darcy para esta ecuacintendramos:

Anlisis de Circuitos


0'

1

'

1

iNT

i

ij

iNT

i

ij hmhf

02

'

1

2

iNT

i ij

ij

ijij

ij

D

lfkm

g

V

Despejando Qij, obtenemos:Se usa el valor absoluto en laecuacin para establecer unaconvencin de signos. LosCaudales se consideranpositivos si giran en sentido delas agujas del reloj o negativosen caso contrario

02

'

12

iNT

i ij

ij

ij

ijij

ijijAg

D

lfkm

QQ

Ecuaciones de Caudal(EC)

(III)


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Formulacin Problema NumricoPara Redes Cerradas tendramos:

NU: Numero de Nodos (al menos uno debe tener Cabeza Conocida). Setienen NU-1 Ecuaciones de Carga (EH), dado que al menos se debecontar con un Nodo con Carga Conocida.

NC: Numero de Mallas o Circuitos. Se tienen NC Ecuaciones de Caudal(EC) dado que se puede plantear una por circuito.

L: Numero de Lneas que conforman la Red.

Entonces el nmero de Ecuaciones para resolver la Red, esta dado por:

L = NC + (NU 1)

Problema:

Se tiene un sistema conformado por (NC) Ecuaciones de Caudaly (NU-1) Ecuaciones de Carga. En ambos casos se trata de

Ecuaciones No Lineales que requieren procesos iterativos o deconvergencia.

Dado que se conocen los dimetros y rugosidades de las tuberasas como las cotas, en realidad se trata de un problema decomprobacin de diseo y no de diseo en s.


Simulacin en Estado Esttico

Entradade Datos

ConfigureEcuaciones ,n

desconocidos, n

SolucinInicial

Resuelva las

ecuacionesEH y EC S/n mtodode solucin

Convergencia?Calcule v, P

Resultados

Si

No


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Mtodos de Solucin

Hay 4 formas de reducir las ecuaciones generales asistemas mas simples:

Mtodo de Nodo (NC ecuaciones)

Mtodo de Flujo (L ecuaciones)

Mtodo de Malla (L-M ecuaciones)

Mtodo de Gradiente (NC ecuaciones)


Distribucin de Flujo en una Red SimpleProceso de Balancear Cargas en M. Cross

Hardy Cross, University of Illinois Engineering Experiment Station Bulletin 286 (1936)


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Historia de la Modelacin de Redesde Distribucin

Modelos

Multiplataforma

Anlisis Crtico

Gestin

avanzada de

datos

G.A.

Vaciado

Unidireccional

Integracin GIS

Modelos Amigables

------

Integracin de

Modelacin - Bases de

datos - SCADA

-----

Modelos de

Tanque/reservorio

---

Cinemtica de

Contaminantes---

Optimizacin

1930s 1990s1980s1970s1960s

Hardy

Cross

Anlisis de

Flujo en

Redes

Anlisis de

Redes por

Computador

Modelos

Hidrulicos

para

mainframes y

mini

computador

Modelos

basados en PC

---

Modelos para

la Calidad de

Agua en

Estado Esttico

Modelos

para la

Calidad de

Agua

Dinmicos

2000s Futuro

Lnea V8

2008 Bentley Systems, Incorporated

El uso de mtodos numricos esindispensable para la resolucin

de sistemas de distribucin


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II - Generalidades Modelos de Simulacin Curso WaterCAD/GEMS

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Generalidades de laModelacin Hidrulica deRedes de Distribucin


Tipos de SimulacionesDisponibles en WaterCAD/GEMS V8 XM

Simulacin Estado Esttico (SS)

Simulacin en Periodo Extendido o Cuasi-Esttico (EPS)

Calidad del Agua (EPS) Edad

Trazado Constituyente (Cloro Residual, THMs, etc.)

Anlisis de Proteccin Contra Incendio (SS)

Anlisis Elementos Crticos (EPS)

Optimizacin (SS)


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Generalidades de la Simulacin

Aproximacin a la Realidad MODELO = SOFTWARE + INFORMACION Recoleccin y revisin de informacin toma

tiempo Ingreso de Datos Topolgicos y Operativos Decisin si los resultados son razonables Aplicar un buen criterio de Ingeniera

INPUT : BASURA OUTPUT : BASURA


Aplicaciones de la ModelacinHidrulica

Diseo y Planeacin Maestra Esquemas Operativos Costos de Energa Anlisis de uso del Agua Control en Tiempo Real

Auditoria y Deteccin de Fugas (ANC) Proteccin contra Incendios Modelacin de Calidad del Agua Anlisis de Vulnerabilidad Anlisis Transientes y Dispositivos de Proteccin


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Campos de Interaccin

Modelacin = Esfuerzo interdisciplinario

Administracin y Gestin Divisiones de Operacin y Control Planeacin Estratgica Divisin Tcnica y Proyectos GIS Divisin Comercial (Facturacin) Participacin Ciudadana


Construccin de Modelos

Fase 1: Construccin topolgica

Fase 2: Informacin de infraestructura

Fase 3: Asignacin de elevaciones

Fase 4: Estimacin de demandas

Fase 5: Simplificacin o esqueletizacin

Fase 6: Escenarios y alternativas

Fase 7: Ejecucin de simulaciones

Fase 8: Calibracin

La modelacin es un proceso iterativo y en

permanente evolucin !!


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Fase 1: Construccin Topolgica


Dibujos CAD, Archivos GIS y/o planos en papel Procesos manuales o automticos

(ModelBuilder) Determine tuberas a ser incluidas Identificadores para nodos y conexiones Verificacin en campo Revisin de conectividad Involucrar operarios y delineantes Establezca un protocolo interno para futuras

construcciones de modelo

Nunca descarte la Informacin de Planos de Obra!

Fase 1: Construccin Topolgica


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LONGITUDES Real No de punto a punto

Esquemtica vs. A escala (2D / 3D)

A escala: Longitudes automticamente determinadas

Esquemtico Longitudes definidas por el usuario

DIMETROS

Dimetros nominales vs. dimetros reales (internos) Tubera de 6 Clase 50 DI = 6.4 Dimetro interno

Importante para tamaos pequeos y Anlisis de Calidad

Fase 2: Informacin de infraestructura


Fase 3: Asignacin de Elevaciones


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Usadas para convertir gradientes a presiones Pueden usarse elevaciones del

Suelo, Tubera Usuario

Conservar consistencia.

Si existe informacin topogrfica de calidad, se

podrn construir Modelos Digitales de TerrenoFiables !



Convirtiendo lnea piezomtrica a presiones

548.3457.4 psi

553.8455.0 psi

545.79 58.5 psi545.38 58.7 psi

538.32 61.8 psi



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Promedio diario anual actual Estudios de Uso de suelo Variaciones y picos temporales

Agua no contabilizada Prdidas Flujos de incendio Proyecciones Futuras



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Balance hdrico

Q suministrado = registrado - incontrolado consumido

Q (inyectado)

Qi (incontrolado)

Qic (incontroladoconsumido)

Qr (registrado)

Qif (fugas)

Qica (ausenciade contador)

Qice (error contador)

Qical (acometidaslegales)

Qicai (acometidasIlegales)

Eficacia de la gestin

Estado de la red

Eficacia de la medida

Control de acometidas

s =Qr

Q

r =Qs

Q= 1-

Qif

Q

g =Qr

Qs

s = g r

Rendimientosporcentuales



Estimacin de uso del agua Uso del suelo Sectorizacin de la Red Sistema Comercial Lecturas medidores

Correccin por agua no contabilizada Poblacin de Contadores Curva de Error de los Contadores Patrones de Consumo



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x1

x2

A1 A2 A3 An

LT

xn

1 2

Esquema y Ecuaciones de Asignacin:n

i

Ai

T

iT

D QL

xLQ

1

1

n

i

Ai

T

iD

QL

xQ

1

2

FASE I

EstablecimientoRelacinAcometidas Lneas (Barrido).

FASE II

Distribucin Nodalde Consumos.

MONOVAR

CALL

OSAENSARRIA

JOAQUINCASE

GRAL

MILL

ANASTRA

Y

MOR

AIRA

MENENDEZPELAYO

ALT

GRAL

MILL

ANASTRA

Y

DOLORES

A

A

A AAA

A A

A

A

d

A AA

A AA

N A

A

AAA

A

A

A NA

N A

dA

A Nd

A

N A

ANA A

AN

A

A

A

dA

A

AN

AA

AA

AAA

A

dA

N

d

A

N

A

A

d

80

60UR

10

0FD60UR

80FD

100FD

125UR

60U

100FD

125U

R

60UR

70UR

125UR

125UR

125UR

30 PE

80UR

80UR

125U

R

125UR

12570

UR

80UR

100FD

100FD

80UR

50PE

80UR

100FD

125UR

#S

$T$T

$T$T

$T

#S

#S

$T

$T

$T

$T

$T

#S

#S

$T

#S

#S

$T

$T#S

$T

#S

3082

3101

9 3102 3100309530968 3103

2982310577

3106

076 3108

3110 3002 30053111 30043104

3075 3000311230033114 30273074

29983116 300129973073 3118

209929953119 30253028

29933120 3107302430263071 3109 293123 3023

3022

30213113

3070 3047 2969306830183115

24 30203067296830193117

30503066

33872

3097

3098

3999

42317

45039

1:577

Capa Acometidas

Codificada Q=0N

Codificada Q > 0A

No Datad

CONVENCIONES

ENTORNO GIS: Barrido yAsignacin Acometidas

Fase 4: Estimacin de demandasAsignacin Micro-zonal


Proyecciones espaciales y temporales de poblacin

Donde ocurrir gran crecimiento?

Donde se ubicarn los grandes consumidores?

Dotaciones futuras de racionalizacin de uso

1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030

Demandamedia

Proyecciones alternativas de demanda

Fase 4: Estimacin de demandasProyecciones de Demanda


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Nivel 1 Simplificacin

Rastreo y Remocin de Datos (Data Srubbing).

Nivel 2 Tcnicas Analticas

Remocin y Acoplamiento de Segmentos enSerie

Recorte de Ramales (Branch Trimming).



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A A

C C

Cual es el Nivel de EsqueletizacinDeseado?



Aplicaciones que permiten mayoresqueletonizacin Planeamiento maestro Estudios regionales de calidad de agua Estudios de consumo de energa Elaboracin de curvas de sistemas

Aplicaciones que requieren mas tuberas. Diseo Anlisis de calidad de agua Anlisis contra incendios



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NIVEL 1

NIVEL 2

NIVEL 3

NIVEL 4

NIVELES DEESQUELETIZACIN

72

73

74

75

76

77

0 5 10 15 20 25

Hours

Pressure(p

si) Skel1

Skel2

Skel3

Skel4

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 5 10 15 20 25

HoursC

hlorineResidual(mg/L)

Skel1

Skel2

Skel3

Skel4



Escenario Alternativas

- Topologa Activa- Fsica- Demanda- Config. Inicial- Operacional- Edad- Constituyente

- Traza- Flujo de Incendio- Costo de Energa-Transiente**- PDD- Extensiones deUsuario

Ciclo de escenarios

Construir modelo(Escenario base)

Calcularescenario

Revisarresultados

Agregarescenario

Editarescenario



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Escenario = Una Simulacin distinta para elmismo modelo. Contiene tipo de Simulacin. Usa datos de las alternativas.

Alternativas = Grupo de datos. Construyen bloques de escenarios.

Herencia = Construir alternativas y escenariosbasados en existentes. Add (agregar) = No se heredan datos

Duplicate (duplicar) = Copia pero no conecta Child (Hijo) = Conecta grupo de datos



TIPOS DE SIMULACIN

ESTATICA

TopologaFsicaDemandaConf.Inicial

EPS

TopologaFsicaDemandaConf. InicialCont.lgicosOperacional

CALIDADDE AGUA

TopologaFsicaDemandaConf. InicialCont. lgicosOperacionalEdadTrazaConstituyente

FLUJO DEINCENDIO

TopologaFsicaDemandaConf. InicialFlujo deincendio

Fase 7: Ejecucin de simulaciones

TRANSIENTE

TopologaFsicaDemandaConf. InicialCont. lgicosTransienteOperacional


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Ajustar las caractersticas del modelohidrulico para representar de la mejormanera su comportamiento real

Fase 8: Calibracin

Estaciones de ControlTelemandadas

Dispositivos de Medicin(Data-Loggers)


Un paseo porWaterCAD/GEMS V8 XM

DEMO


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III Elementos Especiales en un Modelo Hidrulico Curso WaterCAD/GEMS

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Configuracin TopolgicaRepresentacin de ElementosEspeciales en Modelos Hidrulicos


Elementos Singulares del Modelo

Tanques y Reservorios: Almacenamiento,Provisin en horas pico e Uniformizacin dePresiones.

Estaciones de Bombeo: Aaden energa al flujo.

Vlvulas Funcionales: Control de condiciones deflujo y presin del Sistema.

Vlvulas de Aislamiento: Tienen por objetoaislar hidrulicamente el sistema solo anteeventos de reparacin.

Hidrantes y Emisores: El caudal de salida enestos puntos depende del valor de la Presin y lascaractersticas resistentes.


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Tanques & Reservorios(Condiciones de Frontera)

Reservorio Volumen infinito Nivel de agua constante*

Tanque Volumen finito Nivel de agua variable Condiciones Iniciales Pueden tener diversa

geometra Modelos de Mezcla


Impactos de Tanques yReservorios

Aprovechar la energa potencial (altura) Proveer almacenamiento de emergencia Regulacin de presiones Balancear consumo Proveer presin en extremos durante horas

pico (Tanques de Cola)

Impactos Negativos de Calidad del Agua Tiempo de Residencia Largos Mezcla Pobre


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Bombas (Definiciones) Bomba: Mquina que transforma energa

mecnica en energa hidrulica,proporcionndole a un fluido presin y velocidad

Clasificacin:

- Bombas Volumtricas- Bombas Rotodinmicas

A. Segn la direccin del Flujo- Radiales (Centrfugas)- Axiales- Helicocentrfugas (Flujo Mixto)

B. Segn Velocidad- Bombas de Velocidad Fija (BVF - FSP)- Bombas de Velocidad Variable (BVV - VSP)


Bombas (Conceptos Generales)

Curvas Caractersticas Carga

Eficiencia

Brake horsepower

NPSH

El modelo selecciona el punto de operacin atravs de la curva de resistente del sistema yla curva caracterstica de la Bomba.

H

Q

A

B

CurvaConsigna

Curva Resistente


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Representacin de la CurvaCaracterstica en el Modelo

CQBQAHB2

La curva caracterstica de una bomba es usualmenterepresentada como:

Donde,HB = Carga impartida por la bomba (m)Q = Caudal Bombeado (m3/s)

A, B y C= Coeficientes que describen la curva caracterstica.C es tambin conocido como carga de apagado.

Por otra parte, la potencia consumida para una

eficiencia conjunta bomba motor ( ) est dada por:HQgP

1


Definiendo la CurvaCaracterstica

Puntos Tpicos son:- Carga de apagado (Q= 0).- Punto en Mxima Zona de Eficiencia.- Flujo mximo (H 0 m).

Usualmente 3 puntos son requeridos para definirla curva caracterstica.

CURVA CONSIGNA:Es la mnima altura piezomtrica necesaria encabecera del sistema hidrulico para garantizar unapresin residual suficiente en el punto de consumoms desfavorable del sistema, para cada caudal deimpulsin.


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Puntos clave en la CurvaCaracterstica de una Bomba

Eficiencia

Zona de Mxima Eficiencia

Punto deDiseo

CargadeApagado

Punto deFlujoMximo


Vlvulas en Redes deDistribucin

Las vlvulas cumplen un papel fundamental en la gestin deredes de distribucin. Entre otras funciones permiten aloperador regular caudales y presiones, proteger el sistemafrente a sobrepresiones y depresiones, controlar el sentido delflujo, aislar tramos de conduccin, entre otros.

Clasificacin Funcional:

1. Vlvulas de Control (Automticas): Presin, Caudal, Prdida deCarga, Nivel Depsitos.

2. Vlvulas de Regulacin (Motorizadas) : Presin, Caudal,Propsito General

3. Vlvulas de Proteccin: Alivio Presiones, Sentido del caudal,Expulsin de Aire

4. Vlvulas de Operacin: Aislamiento (Todo/Nada).


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Tipos de Vlvulas en el Modelo

Vlvula Reductora de Presin (PRV) - Limita la presin

de salida a un valor deseado Vlvula Sostenedora de Presin (PSV) - Mantiene una

presin mnima en la entrada

Vlvula Quebradora de Presin (PBV) - Asume unaprdida de presin especfica en la vlvula

Vlvula de Control de Flujo (FCV) - Limita el flujo deagua que pasa por la vlvula a un valor deseado

Vlvula General (GPV) - De uso general, cualquier prdidao flujo

Vlvula de Cheque - Permite/restringen flujo en una soladireccin. Propiedad Tubo Implcita en Bombas.

Vlvula de Aislamiento - Permiten aislar tramo(s) de laconduccin. No Topolgico. No disponible en todos lossoftware.

Vlvula de Altitud - Vlvula implcita en el elementoTanque.


Estado de Vlvulas de ControlVariables Fluidas

El usuario puede especificar el estado inicial dela vlvula (Condicin de Frontera) Activa Cerrada Inactiva

Si est activa, el estado es controlado por elmodelo Controlando Limitar presin (Reducir/Sostener) Abierta Solo prdida menor Cerrada No flujo


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VLVULA REDUCTORA DE PRESIN ACTIVA

Control

5570

Q = 300

Cerrada

5570 65

Q = 0

Abierta

5540

Q = 300 gpm

Configuracin = 55 Demanda = 300

Control

5570

Q = 300

Cerrada

5570 65

Q = 0

Abierta

5540

Q = 300 gpm


Control

5570

Q = 300Control

5570

Q = 300

Cerrada

5570 65

Q = 0Cerrada

5570 65

Q = 0

Abierta

5540

Q = 300 gpmAbierta

5540

Q = 300 gpm



VALVULA SOSTENEDORA DE PRESION ACTIVA

Control55 250 gpm55 55

Abierta55 300 gpm70 69

Cerrada55 0 gpm45




Cerrada55 0 gpm45






Cerrada55 0 gpm45

Cerrada55 0 gpm45



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Hidrantes y EmisoresLos Hidrantes son elementos nodales queusualmente tienen un estado cerrado y que

buscan satisfacer una demanda o caudal de incendiopara condiciones operativas determinadas.

El caudal en hidrantes no es un dato de entrada,sino un resultado de la presin residual existente endicho punto considerando prdidas y el coeficientede emisor definido

Los Emisores de Flujo Propiedad asociada al elemento Nodo,que puede ser o no activada. Permiten estimar el caudal desalida en un orificio. El caudal en un emisor vara segn el valorde la presin.

La ecuacin del emisor est dada por:Donde:Q: Caudal Emitido / P: Presinke: Coeficiente del Emisor (Propiedad del Nodo)n: Exponente del emisor. Nmero adimensional que afecta las unidades delcoefiente ke. El valor por defecto es 0.5 valor tpico para un orificio

n

e PkQ


Bombas, Tanques y Vlvulas

Taller 1


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IV Calibracin Hidrulica de Modelos Curso WaterCAD/GEMS

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Calibracin de ModelosHidrulicosCalibracin: Fases de Implementaciny Anlisis Resultados


Calibracin

Comparar valores observados vs. modelados

Hacer ajustes de tal forma que el modelo reproduzca dela mejor forma el mundo real

Certeza en el modelos como una herramienta de decisin


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Por que Calibrar?

Entendimiento del sistema + Certeza Modelo= Ahorro + Optimizacin Inversiones

Capacidad del modelo en reproducir condicionesexistentes

Identificacin de errores en datos de entrada

Correcta toma de decisiones

Modelos precisos buenas deciciones

Confianza en resultados

Esfuerzo interdisciplinario

Paso previo a la Validacin de un Modelo.


Precisin Presin, elevacin, gradientes: 0.5 - 1

m

Flujo: 5%

Niveles tanques: 50 cm

Informacin SCADA

Data Loggers

Calibracin medidores

Informacin de Campo


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Evaluar puntos estratgicos de medicin yrecoleccin de datos

Periodos de alta demanda

No interrumpir el servicio

Anotar parmetros operativos

Reporte de incidencias

Fronteras de carga conocida

Tanques Vlvulas Reductoras de Presin

Bombas

Cundo y Cmo Recolectar Datos?


Utilizacin indirecta de ecuaciones de prdida porfriccin (Hazen-Williams o Darcy-Weisbach) paraverificacin en campo de coeficientes

Flujo

Carga 1 Carga 2

Longitud, Dimetro

( H1-H2)

Prueba de Rugosidad


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Errores con demanda normal

Elevaciones, gradientes de frontera,consignas en vlvulas

Errores de alto flujo

Vlvulas cerradas, rugosidad, demandas

Rugosidad

Demanda

Estado

Qu Parmetros Calibrar?


Calibracin a lo largo de varios das

Requiere simulacin en tiempo extendido

Demanda

Niveles

Bombeo

Presiones

Calibracin Dinmica (EPS)


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Medidor de flujo

Tanque 1 Medidor de presin

Tanque 2

q

h

h

p


Tiempo

Nivel

de

agua

en

tanque

Buena calibracin

Mala calibracin

Puntos de informacin de campo

Graficando Resultados deCalibracin


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Sentido comn + Criterio de ingeniera

Preguntas:

Son razonables los ajustes?

Hubo circunstancias especiales Demandas anormales

Vlvulas cerradas

Existen algunas recomendaciones en Bibliografapero deben tomarse solamente como referencia

Interpretando los Ajustes


Criterios de Caudal

Para Lneas Primarias (Caudal >10% de la Demanda Total delSistema o Sector) el valor simulado debe tener una diferencia de 5%con los valores de caudal medidos

Para Lneas Secundarias (Caudal 10% de la Demanda Total delSistema o Sector) el valor simulado debe tener una diferencia de 10% con los valores de caudal medidos

Criterios de Presin

85% de las medidas de campo deben estar entre

0.5m o

5% dela mxima prdida de carga a travs del sistema (el criterio que seamas grande).

95% de las medidas de campo deben estar entre 0.75m o 7.5%de la mxima prdida de carga a travs del sistema (el criterio que seamas grande).

100% de las medidas de campo deben estar entre 2.0m o 15.0% de la mxima prdida de carga a travs del sistema (la quesea mas grande).

Niveles aceptables de Calibracin


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Calibracin Automatizada

Objetivo

Encontrar el mejor ajuste cumpliendo restricciones

Tcnicas de optimizacin

Ensayo y error, enumeracin, programacin lineal,algoritmos genticos

Cual es la solucin correcta ?


Teora de la seleccin natural

Desarrollado en 70s

Aplicado a sistemas de agua en 90s

Genera pruebas de poblaciones sucesivas

Lo mas fuertes sobreviven e introducensoluciones mas deseables

Algoritmos Genticos


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Darwin Calibrator

Comparacin datos de Campo:

Presiones o gradientes en nodos

Flujos en tuberas, bombas, vlvulas

Optimizacin con algoritmos

genticos

Mltiples datos de campo

Calibrar: Rugosidades,

Demandas y Estados

Genera pruebas de

poblaciones sucesivas

Lo mas fuertes sobreviven e

introducen soluciones masdeseables

Mdulo Incluido en WaterGEMS Adicin en WaterCAD


Darwin Calibrator Paso 1

Datos de campo

Entrar observaciones de campo Elemento: J-17

Atributo: Carga

Valor: 147 metros

Mltiples escenarios y observaciones

Ajustes de Demanda Condiciones especiales de demanda

Flujos extraordinarios


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Ejemplos de criterios de agrupacin Por antigedad y/o material de tuberas

Por zonas de mantenimiento o uso de suelo

Qu tanto agrupar?

Grupos de demanda

Grupos de rugosidades

Grupos de estado


Grupos de Calibracin


Tolerancia de estado

Pruebas mximas

Generaciones de no mejora

Soluciones para guardar

Numero de era mximo

Numero de generacin de era

Tamao de poblacin Probabilidad de corte

Probabilidad de empalmar

Probabilidad de mutacin

Sembrando imparcialmente

Tipos y Opciones de Calibracin

Tipos de calibracin Manual

Optimizada

Configuracin definiendogrupos y rangos

Ofrece anlisis desensibilidad

Anlisis estadstico Diferencia de Cuadrados

Valor Absoluto

Diferencia Mxima

Grfico de Correlacin

Exportar escenario calibrado

Opciones


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Tipos de calibracinManual

Optimizada

Anlisis de sensibilidad (Evaluacin Fitness)

Rangos y incrementos

Crear escenario de calibracin


Ejecutando la Calibracin


Valoracin de Grupos de Rugosidad,Demanda y Estado

Modelacin vs. Observaciones

Anlisis estadstico

Diferencia de cuadrados Valor absoluto

Diferencia mxima

Grfico de Correlacin


Interpretacin de Resultados


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El fin del proceso lo define el modelador 1er paso - Verificacin de datos de entrada

Anlisis de sensibilidad - Validacin

beneficiocosto

El modelo debesoportar latoma de

decisiones

Qu es una buena Calibracin?


Darwin Calibrator

DEMO & TALLER 2


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V Diseo ptimo de Modelos Curso WaterCAD/GEMS

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Optimizacin de ModelosHidrulicosDiseo ptimo y Planeacin Maestrade Sistemas de Distribucin


Dimensionamiento: Aplicacionesde los Modelos

1. Planeacin Maestra

2. Diseo Preliminar3. Trazado de Subdivisiones

4. Rehabilitacin

Las aplicaciones de los modelos para propsitos dediseo difieren segn el tipo de objetivo para el cualhan sido planteados y de caractersticas propias. Losprincipales tipos de aplicaciones son:


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Perfil del sistema (Planeacin Maestra)

500

600

700

800

900

1000

Usados en Planeacin Maestra y en Definicin

Esquemas Operativos


1000 m

700 m

300m

50m

Fije el lmite de lazona de presin y

una Bomba.

920 m

Fije el lmite de la

zona de presin y

una VRP.

800 m

150m

Perfil del sistema (Planeacin Maestra)


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Zona Principal

ZonaAumentada Zona

Reducida

Tanqueenterrado

TanqueElevado

Estacin de bombeo

VRP

Definicin Zonas de Presin(Planeacin Maestra)


Perfil de sistema (requerido) para entenderproblema

Procurar facilitar la operacin del sistema(Simplificar)

Toma de decisiones con impactos a largo plazo

Definir rangos de presin adecuados parareduccin de fugas Optimizacin de energa consumida por bombeo Metas de Agua No Contabilizada

Definicin Zonas de Presin(Planeacin Maestra)


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Planificacin deexpansiones(Planeacin Maestra)

Conocimiento de los usos de suelo y desarrollourbanstico futuro

Anlisis de conectividad al sistema existente yotros datos operativos

Consideracin de flujos de incendio Marco regulatorio Almacenamiento vs. Bombeo Diseo detallado


Cambios en la operacin de bombas

Anlisis Financiero de Costos Energticos

Esquemas de control de vlvulas de regulaciny otros dispositivos

Optimizacin en coordinacin con sistemas

SCADA Cambios en los lmites de las zonas de presin

Anlisis de Incendio

Preparacin para cierres y entrenamiento deoperadores

Estudios Operacionales (PlaneacinMaestra)


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2. Diseo Preliminar

Solo se requiere un modelo calibrado del sistemasimplificado o lnea que abastece el rea de estudio Uso de normatividad local para diseo de sistemas

de distribucin Empleo de factores de mayoracin.

En este tipo de diseo, el modelador dimensiona la

infraestructura que abastecer un rea privada o laadicin de un rea de servicio en el sistema dedistribucin. Este tipo de modelacin est enfocada enla valoracin econmica de una porcin pequea delsistema y el grado de simplificacin del rea en estudioes bajo o nulo.


3. Trazado de un Subdivisin

Cuando se disea una subdivisin generalmente losrequerimientos de flujo de incendio dominan el diseo.

El horizonte de planeacin es generalmente bajo omedio (el tiempo que ser construida la subdivisin). LaCalibracin es solo requerida en puntos cercanos a laconexin de la subdivisin con el sistema existente.

Si bien el diseo de la subdivisin requiere un grado dedetalle alto, el resto del sistema puede ser unsimplificacin.


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Conexin a un Sistema Existente(Opciones)

NuevaSubdivisin

?

6

16


Propuesta: principal de 24

NuevaSubdivisin

6

24

Conexin a un Sistema Existente(Opciones)


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4. Estudios de Rehabilitacin

En un estudio de Rehabilitacin de un rea del sistema,

la adecuacin de capacidad para caudal de incendios esnuevamente la consideracin ms importante adicionala las consideraciones sobre el aumento de vida til delas redes.

Muchos escenarios sern requeridos en este tipo deestudios dada la gran variedad de posible solucionescomo: Revestimientos, Ampliaciones, Lneas paralelas,mallados, etc.

El grado de simplificacin de este tipo de estudios es

intermedio, tendiendo en cuenta que las obras derehabilitacin se dan principalmente sobre lneassecundarias.


Mejorar sistema actual Reducir grado de vulnerabilidad y aumentar

la robustez del sistema Modelos detallados necesarios Entender condicin existente Pruebas de caudal para incendio Exmenes de tuberas Pruebas de rugosidad Historia de roturas vs. prdidas Experiencia operadores

Estudios de Rehabilitacin -Consideraciones


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Dimensionamiento Consideraciones

El dimensionamiento es un proceso iterativo donde se

deben definir las demandas de agua que debensatisfacerse y verificar que el clculo hidrulico cumplalas restricciones establecidas para diferentes condicionesoperativas y demandas. Los factores a verificar son:

Restriccin para altas velocidades Presin por debajo del mnimo de servicio Bombas que no operan en la zona de eficiencia Tanques que no cumplen las tasas esperadas de vaciado o

llenado

Zonas con altas presiones (no usuales) Bajas velocidades durante periodos de demanda pico Bajas concentraciones de cloro residual o altos valores de

edad del agua


Dimensionamiento Diagrama de Flujo

Si el Modelador observa que no se cumplen las restricciones, tratar deajustar los dimetros para obtener un comportamiento hidrulicoaceptable. Sin embargo, esto afectara las ecuaciones de energa y lasvelocidades en las lneas.

ModelacinSistema

Existente

Trazado deLneas

Propuestas

SelecinInicial de

Dimetros

SIMULACINMODELO

HIDRULICO

DemandasEstimadas

Cortes delSistema

Reformulacindel Diseo

Cumplimiento conNormatividad yRestricciones?

Estimacin deCostos

No Si

No

Si

Costosptimos?

Presentacin deResultados ante

Gerente ProyectoFIN

INICIO


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VI - Simulacin en Periodo Extendido (EPS) Curso WaterCAD/GEMS

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Simulacin en PeriodoExtendido (EPS)Creacin y Anlisis deSimulaciones en Periodo Extendido


Simulacin en Periodo Extendido(SPE)

Rastrea el sistema a lo largo del tiempo

SPE = Series de estados estticos unidos

(Fotos)

Los tanques representan las uniones entre fotos

6:21 a.m. 11:23 a.m. 7:45 p.m.Ti

Tf


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Informacin de una SPE

Patrones de uso del aguaNiveles iniciales tanquesSecciones transversal tanques

Controles operacionalesDuraciones y saltos de tiempo

Estado Esttico: Conectividad, Datos de tuberas,Datos de nodos, Datos de bombas, Datos de vlvulas. Niveles deagua en Tanques, etc

+


Escalas de tiempo

1. Duracin

2. Tiempo de clculo Distribucin de agua72 horas en pasos de 1 hora

Sistema

Hidroneumtico2 horas en pasos de 10 minutos

ReservorioPasos de un da por tres meses


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Variaciones temporales en el uso del agua

Multiplicadores asociadas a la demanda base deNodos

Se pueden clasificar por tipo de demanda: Ej. residencial - industrial - comercial

Patrones detallados para grandes usuarios

Literatura ofrece una primera aproximacin

Variables por temporada

Patrones de

demanda

SCADA


Patrones escalonados o continuos

Pueden ser aplicados a consumos, nivel de agua enreservorios y constituyentes.


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Controles Operacionales

Estado (Lgico): Tubera: Abierta o Cerrada

Bombas: Encendida o Apagada

Vlvulas: Activa, Inactiva (tubera) o Cerrada

Configuracin (Anlogo): Bombas: Factor de velocidad relativa

Vlvulas: Presin, flujo o coeficiente deprdida de carga


Nodos de control

BombaEstado Inicial = ONControlado por Tanque A

Tanque A

ON cuando nivel < 448m

OFF cuando nivel > 451m


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Controles Compuestos

IF Evaluacin lgica de una condicin

THEN Accin si condicin es verdadera

ELSE Accin si condicin es falsa

Ejemplo,

IF (Flujo en P-17 > 200)

THEN (PMP-1 = on)ELSE (PMP-1 = off)


Condiciones (Ejemplos)

Elemento (HGL en J-11 > 145)

Tiempo desde el comienzo (T >= 7)

Tiempo de reloj (Clock Time < 7:00 am)

Demanda del sistema (Demanda > 500)

Condiciones y Acciones CompuestasCondicin

[Flujo] > 200 AND [Tiempo de reloj] > 15:00

Accin

[PMP1] = offAND [P-11] = open


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Prioridades de control

Elegir prioridad de control

5 = prioridad alta, 1 = baja

Defecto = baja

Si hay conflicto Ejecuta la de ms alta prioridad

El primero en la lista si tiene la misma prioridad


Observacin de nivel de agua entanques

0 12 24 36 48 60 720

10

20

30


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Dimensionamiento de tanques

Regulacin~10-20 % del da mximo

IncendioDia Max + Incendio - Produccin

EmergenciaDuracin x Demanda

V = Regulacin + max { Incendio, emergencia }


Costos de energa

Potencia usada, kwhr

Potencia de Agua, hp

Potencia de Electricidad, hp

Eficiencia, %

Costo de energa, $ Costo de demanda, $

Costo de almacenamiento, $

Costo unitario, $/MG


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Informacin requerida

Buen modelo con SPE

Costos de energa en el da EstructuraTarifaria

Curva de eficiencia Eficiencia constante

Por sesiones

BEP Punto de mejor eficiencia


Taller 4 - WaterCADSimulacin EPS y EstimacionCostos de Energa


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VII Fundamentos Modelacin de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS

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Modelacin de Parmetrosde Calidad del AguaTeora de Modelacin de la Calidaddel Agua en Redes de Distribucin


Fundamentos de la Modelacinde Calidad del Agua

Representacin de

procesos fsicos,

qumicos y biolgicos

para simular

movimiento y

transformacin deconstituyentes en el

sistema de distribucin


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Calidad del Agua en Sistemas deDistribucin

Calidad de agua depende de: Fuente del agua Operacin del sistema Transporte y transformaciones Almacenamiento

Variaciones significativas en calidad de agua Temporalmente Espacialmente


Dificultades para modelizacin decalidad de agua

Complejidad del movimiento del agua

Calidad variable de fuentes de agua

Reaccin Complejas

Pruebas de campo proveen solo un pequeoejemplo del sistema

Garantizar potabilidad Optimizar precursores qumicos Reduccin de vulnerabilidad

Beneficios


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Aspectos relacionados conmodelacin de calidad de agua

Tanques cerrados o abiertos

Conexiones domiciliarias

Decaimiento de desinfectantes

Purgado

Quejas de sabor y olor

Flujos transitorios

Alta turbidez

Litigacin

Fuentes Contaminadas


Procesos Presentes

Hidrulica

Mezcla endepsitos

Transporte

Reacciones en

el flujo Reacciones en

la pared

Hidrodinmicade tanques

Transformaciones en pared

Conexionesdomiciliarias

AguaPotableTratada

Reservorios

Transformaciones enla carga

Ruptura


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Modelacin Hidrulica yde Calidad de Agua

MODELO HIDRULICO CALIBRADO

MODELO DE CALIDAD DE AGUA

Flujos y velocidades

Resultados de la Calidad de Agua


Tipos de Modelacin de Calidad deAgua

Rastreo de fuente

Edad del Agua

Constituyentes


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Rastreo de Fuente

%d

eagua

delafuenteA

%d

e

agua

delafuenteB

tiempo0

100

tiempo0

100


Edad del Agua

Calcular variacin de edad del agua a travs deltiempo

Modelacin Hidrulica aplicada al tiempo depermanencia del agua en la Red.

Altamente influenciada por el tamao y lostiempos de residencia en estructuras dealmacenamiento


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Constituyentes

Sustancias ConservativasSu concentracin cambia solo por procesos dedispersin y mezcal

Sustancias No-Conservativas

Concentracin crece o decae debido a Procesos qumicos Procesos biolgicos

Procesos fsicos


Constituyentes(Modelaciones mas Comunes)

Salinidad (TDS)

Nitrgenos

Metales

Orgnicos

Cloro

Cloraminas

VOCs

THMs

pH/alcalinidad

Dureza

Plomo y cobre

Floro

Slidos/turbidez

Actividad Microbial

Sabor y Olor


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Formas de TransformacionesCinticas

Conservativo: dC/dt = 0

Decaimiento de primer orden: dC/dt = kC

Crecimiento de cero orden o decaimiento:dC/dt = k

Crecimiento de primer orden a equilibrio dC/dt = k(Cmax - C) Orden n-th dC/dt = kCn


Decaimiento de Primer Orden

C0

Los constituyentes decaen proporcionalmente con laconcentracin

dC/dt = kC Decaimiento exponencial Ct = C0 e-kt

Co - Concentracin inicial T - Tiempo k - Coeficiente de decaimiento

Cloro usualmente tiene decaimiento de 1er orden Media vida: Tiempo para un decaimiento de 50%

Media vida

Co/2

Ejemplo: k = 0.5/daMedia vida = 1.4 das


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Crecimiento de Orden Cero oDecaimiento El constituyente crece (o decae) a una velocidad constanteabsoluta

dC/dt = k

Ct = C0 + (rDt) C0 es la concentracin inicial Dt es el intervalo de tiempo r es la velocidad de crecimiento

La edad es un ejemplo de crecimiento de cero orden (r = 1)

Concentracino Edad

tiempo

C0


Crecimiento de Primer Orden aEquilibrio El constituyente crece proporcionalmente con la

concentracin a un valor de equilibrio

dC/dt = k(Cmax - C) El constituyente exponencialmente se acerca a un valor

mximo,

Ct=Cmax- (Cmax-C0e-kt) C0 = concentracin inicial, Cmax = concentracin mxima

Los Trihalometanos (THMs) son un ejemplo

C0

Cmax


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Definicin del Problema

Dado: Representacin de la Red Flujos en todas las tuberas (del modelo

hidrulico) Velocidad de Reacciones Concentraciones en fuentes Condiciones Iniciales

Determine:

Concentraciones en todos los nodos en todos losperodos de tiempo


Conservacin de Masa NodalMezcla Completa

NODO

Q1, C1

Q2, C2

Q3, Cout

Masa Total que Entra = Masa Total que Sale

Cout = [(Q1 C1) + (Q2 C2)] / (Q1 + Q2)

Q1 + Q2 = Q3 + Q4

Q4, Cout


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Calidad de agua en tanques

Tanques almacenan volumen

Su calidad de agua cambia por

Calidad de flujo entrante

Transformaciones en el tanque

Mayora de modelos asumen mezcla instantnea


Conexiones de Tuberas

Flujo y velocidad variables en el tiempo

El agua envejece al moverse por las tuberasy durante su residencia en la Red.

Transformaciones afectan la calidad de agua


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Perspectiva de Modelacin

Euleriana

Observador fijo, grilla dividida en partes iguales

Lagrangiana

Observador se mueve con el flujo


Registro de la Parcela Lagrangiana

Parcelas de calidad de agua en tiempo T

1 2345

En el tiempo (T + L1/V) la parcela 1 se muevefuera de la tubera y la nueva parcela 5 entra

C=0.72 C=0.1 C=0.22 C=0.64

C=0.72 C=0.1 C=0.22C=0.725

1234

L1

V


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Datos adicionales para un modelode Calidad de Agua

Concentraciones iniciales

Velocidades de reaccin

Modelo de mezcla de tanque

Velocidad de inyecciones qumicas

Tolerancia de calidad de agua

Difusividad


Modelizacin de Cloro

Dosificacin de cloro En la planta de tratamiento Recloracin en el sistema de distribucin

Decaimiento de Cloro sobre el tiempo Reacciones de carga Reacciones de la pared de tubera

Prdidas en los tanques debido a tiempos deresidencias significantes

Meta de cloro Mantener el residuo de cloro Prevenir el crecimiento de bacteria


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Decaimiento en Seno del Fluido

Decaimiento de Carga: decaimiento en el agua quefluye

Usualmente representado como una ecuacin dedecaimiento de primer orden

Ct = C0 e-kt

Velocidad de Decaimiento Depende de las caractersticas de calidad de agua Independiente del material de las tuberas

Uso de un signo negativo cuando nos referimos a k Implcito cuando hablamos de decaimiento

Explicito cuando hablamos de velocidad de reacciones Rango de coeficientes de decaimiento: 0.05 a 15 por

da El rango mas tpico es 0.2 a 1.0 por da


Decaimiento de Pared

Decaimiento de Pared: Interaccin del agua con lapared

Debido a la corrosin, film biolgico y otros procesosen la pared

Velocidad de perdida de cloro en la pared depende de El coeficiente de decaimiento de la pared

Velocidad que la carga de agua en contacto con lapared

Generalmente no es un factor en tanques yreservorios La proporcin de reaccin de pared vs. volumen es

generalmente muy pequea


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Factores que Afectan la Perdidade Cloro en la Pared

El coeficiente de decaimiento de la pareddepende de las caractersticas de las tuberas(material y edad de tuberas)

La velocidad de agua que est en contacto conla pared: Aumenta en tuberas mas pequeas

Camino ms cercano de carga a la pared Mayor proporcin de pared/volumen

Aumenta con mayor velocidad (turbulenta)


Determinando los Coeficientes dePared

Difcil de determinar el coeficiente dedecaimiento para la pared no hay una tcnica de medida directa

Se estiman valores en el campo basado enmedidas de cloro debajo de condicionescontroladas

Experimento Ideal: Tubera larga aislada sin conexiones El flujo puede ser controlado Mida la prdida de cloro

Valores de rangos tpicos para kpared: 0 - 1ft/dia


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Relacin entre la velocidad dedecaimiento de pared y la rugosidad

de la tubera? La relacin parece lgica: Tuberas con mas

rugosidad tienen: Mayor rea de superficie en la pared Mas oportunidad para el crecimiento de la capa

biolgica

Kwall = a / (Hazen Williams Factor - C)

Datos de campos limitados sugieren un rango de

valores para a de 0 a 100.


Impactos de Almacenamiento enla Calidad de Agua

Tanques y reservorios diseados para lasnecesidades hidrulicas; la calidad del agua esusualmente secundaria.

Tiempos de largas residencias: Desprecian residuales de desinfectantes

Promueven el crecimiento de bacteria Las mezclas pobres pueden amplificar los

problemas de calidad de agua


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Mezcla Potencial / Problemas deEstratificacin

Entradas en

Tangentes

Tuberas VerticalesDeflectores

Palas Complejas

Diferencias en

Temperaturas

Ttanque

Tinflujo

Entradas

de Dimetros

Grandes


- Mezcla completa

- First In First Out (FIFO)

- Last In First Out (LIFO)

- 2 compartimientos

Modelos de Mezcla en Tanques


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Calculated Concentrat ion versus Time

Tank: T-1

Time

(hr)

(m

g/l)

Ca

lculated

Concentration

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

1 .2

1 .4

1 .6

1 .8

2 .0

0 .0 16.0 32.0 48.0 64.0 80.0 96.0

T -1 \C l-C M

T -1 \C l-L IF O

T -1\C l-FIFO

T -1\C l-2 C

Modelos de Mezcla en Tanques


Seguridad de Sistemas deDistribucin de Aguas

Objetivos Mantener un abastecimiento sano y suficiente Desarrollar confianza en el cliente Prepararse para cosas que naturalmente pueden

ocurrir, accidentes, y actividades de terroristas

Amenazas Interrupcin Fsica Contaminacin Biolgica o Qumica (Accidental o

Intencional) Perdida de Confiabilidad del Usuario


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Interrupcin Fsica

Acciones que resultan en la prdida de flujoy presin = Influencia Negativa en Calidad

Daos a equipos vitales Tubera principal Fuente de electricidad Tratamiento SCADA Estacin de bombeo


Eventos de Contaminacin

Contaminacin accidental Desbordes y escurrimiento al agua superficial Contaminacin de Pozos Conexiones de Cruceros en Sistemas de Distribucin Contaminacin de Reservorios

Contaminacin Intencional Actos terroristas (Fuente, Planta, Distribucin) Descargo criminal a una fuente de agua cruda


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Contaminacin Terrorista

Objetivos: Maximizar el dao de la poblacin Interrumpir el servicio Disminuir la confianza del consumidor

Implicaciones: Contaminantes altamente intoxicantes son probables Contaminacin es ms probable en el sistema de

distribucin Deteccin por monitoreo y vigilancia

Minimizar el tiempo de comunicacin y otros retrasos


Sustancias de Contaminacin

Qumicos Tradicionales (i.e., Aceite, Carbn) Substancias qumicas de guerra (i.e., Sarin) Toxinas (i.e., Botulinus toxina) Sustancias Bacteriolgicas (i.e., Bacillus

anthracis)

Sustancias virales (i.e., Rotaviruses, Ebola) Protozoos (i.e., Cryptosporidium parvum) Qumicos Intoxicantes Industriales (i.e., Cyanide) Materiales Radiactivos


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Que puede hacer el Municipio?

Establecer buenos contactos con la polica local Repasar redundancias en su sistema

Identificar puntos crticos y vulnerables

Modelar el movimiento de contaminantes en elsistema

Aumentar la seguridad de reservorios y otrasfacilidades

Monitorear el desinfectante ms a menudo y enms estaciones


Taller 5Anlisis de Calidad del Agua

usando WaterCAD/GEMS


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VIII Integracin con Datos Externos y SIG Curso WaterCAD/GEMS

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Integracin con FuentesExternas y SIGInteroperabilidad en WaterCAD/GEMS


Tcnicas de Administracin deDatos

Datos Almacenamiento (Formatos) acceso manipulacin

Propsito

Aumentar la productividad Integrar la modelacin hidrulica con otros

departamentos de la Empresa gestora de ladistribucin

Gestionar de mejor manera el catastro deredes


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Repaso

Papel Archivosdigitales

ModeloTopolgico

Modelosotros

Software

SCADA

Clave: Almacenar la informacin en bases de datos una solavez, y utilizarla muchas veces (para propsitosmltiples). Guardar la configuracin de la conexin

Mapas SIC


Tipos de Archivos Digitales Texto ASCII

Archivos de Procesadores de Palabras

Hojas de Calculo

Base de Datos (Access, D-base, ODBC)

Archivos CAD (DGN, DWG, DXF)

Archivos SIG (SHP) Archivos SCADA (ODBC)

Sistemas de Informacin de Clientes

OtrosNota: Formatos soportados por el mdulo ModelBuilderdisponible en WaterCAD y WaterGEMS


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Hojas de Calculo Vs. Bases deDatos

Bases de Datos Estructura relacional & mejor organizacin de datos Mejor capacidad de bsqueda y reporte

Hojas de Calculo Usuarios mas acostumbrados a hojas de clculos Mejor capacidad de clculo

Ambos soportan: Grficos Facilidad de entrada


Herramientas CAD- Computer AidedDesign -

Productos: Bentley MicroStation V8 XM

(www.bentley.com)

AutoCAD

Otros

Generacin de dibujos digitales Representacin vectorial Capacidad limitada de atributos


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Archivos de Intercambio CAD

.DXFFormato de datos eXchange. Formato Universal.

.DGN

Formato nativo de archivos de dibujo enMicroStation.

.DWG

Formato de archivos de dibujos de AutoCAD

Nota: Bentley MicroStation soporta tambinarchivos DWG desde versiones de AutoCAD R.14 enadelante.


Definicin de un SIG (o GIS)

Los Sistemas de Informacin Geogrfica sonsistemas capaces de almacenar, analizar yrepresentar informacin geogrfica, su fin es resolverproblemas as como facilitar la toma de decisiones enla gestin del territorio.

Los Procesos Funcionales son: Entrada de datos Administracin de datos Manipulacin y anlisis espacial de

datos Visualizacin y generacin de

productosDistribucin de Contaminantes en una Red deDistribucin usando SIG.


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Modelo Topolgico

Describe la conectividad/posicin de objetos GIS soporta elementos de Arco, Puntos y

Polgonos

Facilita la modelacin y anlisis

Ejemplos:

AB 332

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Capacidad de un GIS

Habilidad de asignar los atributos a objetosespaciales Ej: polgono 33 es uso de tierra comercial

Anlisis de superposicin (dibujo temtico) Combine caractersticas diferentes Ej: uso de terreno y tierra

Anlisis de estado: Usuarios alrededor de unalnea

+


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Interaccin GIS en WaterCAD/GEMS GIS debe entenderse como un repositorio permanente en la

caracterizacin del sistema Es posible seleccionar parte del sistema o una

representacin esqueletonizada para generar la entradadel modelo

Los resultados del modelo (Caudal, Presin, etc) sonselectivamente almacenados en GIS

Anlisis del escenario ejecutado en el modelo

GISRepresentacinCompleta del

Sistema

MODELO(Simplificacin)

Entrada Modelo

Salida Modelo


Vista de GIS vs. Vista del Modelo

VISTA DESIG

uniones uniones

reductor

VlvulaVentosa

vlvulahidrante

VISTA DEL MODELO

Nodo deUnin

Nodo de unin

Nodo deunin

tubera tubera

Los elementos de SIG no son iguales que loselementos del modelo

Unin

vlvula

vlvulaUniones


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En aos recientes se han dado grandes avancesen la integracin de Modelos Hidrulicos confuentes de datos externos.

El propsito fundamental es permitir que losdatos sean ingresados una nica vez, inclusive endiversos formatos y puedan ser utilizados muchasveces.

Modelo = Software + Datos


1. Inicie WaterGEMS o WaterCAD

2. Abra un Proyecto nuevo o existente

3. Tools>ModelBuilder>New

4. Especificar el formato y la ruta del Archivo Fuente

5. Identifique los campos requeridos en el archivofuente

6. Coordinar las unidades de la fuente de datos7. Establecer conectividad basada en datos

espaciales (tolerancia)

8. Configurar conexin de campos entre fuente yarquitectura de datos del modelo

9. Sincronizar

ModelBuilder


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Label D n

CO-11

Label Diam n

CO-11

Fuente Objetivo

Debe haber una etiqueta comnKey/Label entre Fuente y Objetivo


Label D n

CO-11 12 0.011

Label Diam n

CO-11 12 0.011

Fuente Objetivo

Debe identificar relacin entre losatributos de Fuente y Objetivo


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No todos los campos de la fuente necesitan sercopiados (ejem.: No. de Reparaciones)

No todos los atributos en el archivo objetivonecesitan venir con ModelBuilder (ejem.: curvasde bombas)

Las Coordenadas X,Y se cargan automticamentedesde los Shapefiles o Geodatabases

Las demandas es mejor importarlas desde

LoadBuilder, aunque opcionalmente se podraimportar desde SIG si este tiene dicho campo

Consideraciones


Tubos sin nodosfinales

Tubos que no conectan, pero deberan

Tubos que estn conectados y no deberan

Tubos que se cruzan sin nodos

Problemas de conectividad


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Definir la forma y formato como se definen lasdemandas de usuarios. Evaluar datos

Asignar demandas/cargas a los nodo es el pasoms dificil

No se tienen registros en los nodos Existen 9 mtodos en LoadBuilder para cargar

los datos en diferentes formatos

Qu necesitamos para LoadBuilder?

LoadBuilderAsignacin automtica de Demandas/Cargas a los

Nodos desde bases de datos georreferenciadas


Gastos individuales de mediciones de clientes

Gastos medidos en rutas

Estudios de monitoreo de gastos

Poblacin / demandas unitarias 300 personas x 200 Lpd per cpita

Uso del suelo / demandas unitarias 5 ha, uso de suelo industrial x 1000 Lpd / ha

Deben ser archivos SIG de tipo Geodatabases Shapefiles

Tipos Datos de demanda por nodo


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Datos puntuales a Nodo

Polgonos de flujo a Nodo

Polgonos de Uso de Suelo/Poblacin a NodoTabla decarga

Tipos de importacin/procesado dedatos


NodoCercano

TuboCercano

8 in.

36 in.

Datos Puntuales


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Puntos enPolgonos

de Servicio

Datos Puntuales (cont.)


GeoCoding se deben tener coordenadas x,ypara cada medicin y equivalencia de sistemasreferenciales

Lecturas errneas, correcciones manuales

Mediciones no son del mismo da y adems se

trata de mediciones de Volumen no de Caudal Se debe seleccionar el promedio en un perodo

Perodo de facturacin previo Ao anterior

Problemas de Compatibilidad

Problemas con Datos medidos


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Monitores en Sistemas o Sectores

Medidores en estaciones de Bombeo

rea completa de Servicio, usualmentesectorizada

Estimativos por usos de suelo onormatividad local

reas como Fuente de Datos deDemanda


10 lps10 lps/5 nodos =2 lps por nodo

Datos de reas de Uso de AguaDistribucin promedio


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10 lps 25% de rea x 10 lps =2.5 lps

Difiere para c/nodo% = 10 lps

Datos de reas de Uso de AguaProporcional al rea


10 lps30 personas/200 en el rea =15%15% x 10 lps = 1.5 lps

Datos de reas de Uso de AguaProporcional a la Poblacin


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Polgonosde gasto

15

12

8

20

Polgonosde nodos

Demanda para el nodo central =20%(15)+40%(12)+30%(8)+15%(20) = 13.2

Usando Polgonos de Gasto por Usode Suelo


Difcil de proyectar el gasto directamente

Usualmente se proyecta la poblacin o el uso desuelo

Fuentes de informacin Censos poblacionales

Distritos de Planeacin Zonas o Barrios Cualquier tipo de polgono

Datos de Uso de Suelo / Poblacin


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Sobreponer polgonos de datos sobre polgonos deservicio de los nodos

Es necesario Polgonos de Servicio de los nodos Polgonos de Poblacin / uso de suelo Densidad de la demanda (tabla)

Verificar que la suma de las partes sea igual al total

Mtodos de Uso de Suelo /Poblacin


Poblacin litros/capita/da por tipo (ejem. Clase social) litros/unidad/da por tipo (e.g., per bed) Poblacin equivalente

Uso de Suelo m3 /ha/da por tipo (ejem. industrial)

Existe literatura con valores disponibles Es necesario contabilizar para cada sistema

Densidad de la Demanda


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Los Nodos del modelo (puntos) deben serasociados en reas (polgonos) de servicio

A cada nodo le corresponde un polgono de servicio

Los polgonos pueden dibujarse manualmente

La herramienta Thiessen polygons los generaautomticamente analizando equidistancias yreduciendo enormement el tiempo de anlisis

Polgonos de Servicio de Nodos


1 2 3

4

Generacin de Polgonos de Thiessen


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43 2008 Bentley System

02 - ayuda memoria

Documents