simulaciÓn de las redes de distribuciÓn de agua potable-unmsm
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UNMSM
E.A.P INVESTIGACION OPERATIVA
SIMULACION EN LAS REDES DE DISTRIBUCIONDE AGUA POTABLE
AUTOR :
Ricardo Antonio Díaz Roque
ESTUDIO DE CASOS EN INVESTIGACION OPERATIVA
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INVESTIGACION OPERATIVA
Saludos estimados amigos
del Perú.
En esta oportunidad les
presento una Simulaciónaplicada a las redes de
agua potable.
Ingeniería Matemática
equivalente a: Investigación Operativa
UNMSM
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APLICACIONES DE LOS
MODELOS DE CALIDADEN LA
SIMULACIÓN DE LAS
REDES DE DISTRIBUCIÓNDE
AGUA POTABLE
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En las grandes ciudades, el adecuado
mantenimiento de las redes de agua
potable, es una de las actividades quepuede desequilibrar la rentabilidad de
una empresa sanitaria en el mediano
y/o largo plazo.
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PLANTEAMIENTO DEL
PROBLEMA
Ante la evidencia de que la calidad
del agua potable se deteriora durante
su recorrido a través de la red dedistribución, es conveniente analizar
su seguimiento mediante la
utilización de sistemas de simulacióny monitorización.
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Para definir con exactitud los puntos de
ubicación de los analizadores en continuo,
así como para localizar las futurasestaciones de tratamiento "satélites" en la
siguiente fase del proyecto, se ha hecho
uso del programa EPANET al objeto de
simular el comportamiento hidráulico de
la red y la evolución de calidad del agua
en la misma.
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OBJETIVO GENERAL
Diseñar un sistema automatizado para el
registro de agua potable, implementar yconstruir el prototipo para el caso de la
empresa de distribución de la Ciudad en
estudio.
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MÉTODOS DE CÁLCULO
Los modelos de calidad que se vienen
aplicando en el análisis de las redes de
distribución de agua, pueden clasificarse,en función del tratamiento dispensado a la
variable tiempo, en modelos estáticos y
modelos dinámicos.
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En los modelos estáticos se supone que los
caudales demandados e inyectados a la red
permanecen constantes, y se admite que novarían las condiciones de operación de la red,
definidas por el estado de las válvulas y equipos
de bombeo, y por los niveles en los depósitos.
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En los modelos dinámicos, en
cambio, se permite la variación
temporal de los caudales demandados
e inyectados, y también de las
condiciones de operación de la red.
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EPANET
Epanet es un programa para
computador para el análisis de
sistemas de distribución de agua
potable. Aunque en general puede ser
utilizado para el análisis de cualquierfluido no compresible con flujo a
presión.
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MODELOS DINAMICOS
Los modelos dinámicos consideran el
movimiento y reacción de los
contaminantes bajo condiciones variables
en el tiempo, como sucede en la realidad
con las demandas, cambios de nivel en los
depósitos, cierre y apertura de válvulas,
arranque y paro de bombas, etc.
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Básicamente Tres Procesos
El transporte por convección en las tuberías
El decaimiento o crecimiento de las
concentraciones en el tiempo por reacción.
Los procesos de mezcla en los nudos de la red.
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El proceso de transporte a lo largo de una línea i
queda descrito por la ecuación:
C i : (x, t) es la concentración del contaminante enla sección de cálculo x y el instante t .
U¡ : es la velocidad media del agua en la línea.
X es la :distancia de la sección de cálculo al
extremo de la línea.
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Si el contaminante es no conservativo, debe
introducirse en la ecuación del transporte el
término de reacción:
Para resolver esta ecuación, cada línea se divide ensegmentos, dentro de los cuales se producen las
reacciones, mientras que las mezclas tienen lugar
en los nudos.
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TRANSPORTE DE LAGRANGE
Liou y Kroon (1987) dividen cada tubería en N elementos de volumen y asignan a cada elementouna concentración. Si la concentración es cero,entonces N toma el valor uno.
Para evitar que haya un número excesivo deelementos de volumen, los autores proponen unesquema de consolidación en el que los elementosde menor volumen se fusionan con los elementosde mayor volumen y concentración similar
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MÉTODO “MARCHING OUT”
Propuesto por Grayman y Qark para ser aplicado alprograma Water Supply Simulation Model(WSSM), desarrollado por la EPA.
En este método las líneas se dividen en sublíneas,donde se llevan a cabo los procesos de reacción,mientras que el transporte se realiza de formasecuencial, de modo que para determinar laconcentración de un nudo es necesario conocer laconcentración de los nudos situados aguas arriba.
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MÉTODO DE LOS ELEMENTOS DE
VOLUMEN DISCRETOS (DVEM)
Este método ha sido desarrollado yaplicado por Rossman (1993) en elprograma EPANET, de la U.S.Environmental Protection Agency.
En cada intervalo de tiempo delcálculo hidráulico, se divide cada
línea en un número de elementosiguales, cuyo volumen es funcióndel volumen de la línea, de lavelocidad del flujo y del intervalo detiempo T adoptado para elseguimiento de la evolución de lacalidad del agua, que deberá ser
igual o menor al menor tiempo depermanencia del agua en cualquierade las tuberías de la red.
Para cada intervalo de tiempo τ, seefectúa un seguimiento del procesoen cuatro etapas, que se detallan en
la figura
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SIMULACIÓN CONDUCIDA PORSUCESOS (EDM)
Propuesto por Boulos et al. (1994), hasta el
momento este método sólo se ha aplicado para la
modelización de sustancias conservativas,
requiriendo menor tiempo de cálculo que elmétodo DVEM.
Utiliza el concepto de suceso, entendiendo como
tal el cambio en la concentración de un volumen
de agua que llega, al menos, a un nudo del
sistema.
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MODELOS DINÁMICOS RÍGIDOS
Modelos desarrollados por Cohén (1991) y Chaudhry etal. (1994) coinciden en utilizar modelos dinámicosrígidos a fin de obtener una mayor precisión en los
resultados cuando se producen estancamientos,demandas bruscas o inversiones de flujo en la red.
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Tiempos de Permanencia y Procedencias
Ecuación 11: % de agua de un nodo a otro, basta con
interpretar la variable c de la ecuación 11.
Se puede también modelizar la edad del agua siguiendo
un modelo dinámico, sin más que interpretar la variablec de la ecuación (12) como el tiempo de permanencia
del agua en la red, con lo que el término θ (c) pasaría a
ser una constante igual a 1.
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MODELIZACIÓN DE LA REACCIÓN
El cloro residual es lasustancia noconservativa másreferenciada en losmodelos de calidad,aceptándose que lareacción de
decaimiento del cloroes de primer orden:
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En el programa PICCOLO 1991, kagua se considera que depende de la
concentración total de carbono orgánico TOC.
Por lo que respecta a Kred Tansley et al. (1993) consideran que la constante de
decaimiento de la red es una función exponencial del diámetro de la tubería .
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Los valores medios estimados por
regresión lineal son:
Dependiendo los
valores de a y b del
tipo de agua, de latemperatura y el pH
a=0.120
b=-0.0031
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MODELO DE ROSSMAN (1993 )
kb = Constante de reacción de primer orden en el agua. c = Concentración del contaminante en el agua kf = Coeficiente de transferencia entre el agua y la pared. RH = Radio hidráulico de la tubería (Radio de la tubería / 2). cw = Concentración del contaminante en la pared.
SISTEMA TIBITOC
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SISTEMA TIBITOCRío Bogotá, Embalses Sisga,Tominé,Neusa, Planta Tibitoc.
Proceso
Hidrología.Bombeo.Repartición.Floculación.Sedimentación.Filtración.Lavado filtros.Bombeo.Almacenamiento.A Distribución. Al Sistema Básico
Fin Simulación
SISTEMA LA REGADERA
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SISTEMA LA REGADERAEmbalses Chisacá, La Regadera, Plantas Vitelma, La Laguna, El Dorado
Proceso
Hidrología.Conducción.Floculación.Sedimentación.Filtración.Conducción Almacenamiento.A Distribución.
Al Sistema Vitelma
Fin Simulación
Al Sistema El Dorado Al Sistema La Laguna
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APLICACIÓN DE LOS MODELOS DECALIDAD MEDIANTE EL USO DE
PROGRAMAS
INFORMÁTICOS
DYNASIM, KYPIPE, STONER Y PICCOLO son programas
comerciales de análisis hidráulico de redes que incluyen modelos
de calidad que realizan el cálculo de los parámetros de calidad
aprovechando la información hidráulica obtenida
Se ha concebido como una herramienta de investigación para
mejorar nuestro conocimiento sobre el avance y destino final de
las diversas sustancias transportadas por el agua, mientras ésta
discurre por la red de distribución.
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Permite estudiar fenómenos relacionados con la calidad del agua tales como:
Las presiones en los nudos
Los niveles en los depósitos
La pérdida de cloro residual
La mezcla de agua procedente de diversas fuentes
El envejecimiento del agua mientras discurre por la red
La evaluación de las dosis totales suministradas a un abonado
La concentración de las especies químicas presentes en el agua
Efectúa un seguimiento de la evolución de los caudales en las tuberías
Seguimiento del avance de un contaminante, tras su intrusión en la red
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CONCLUCIONES Hemos querido presentar las causas que provocan el deterioro de la calidad del agua durante
su transporte a través de la red, los métodos de análisis propuestos por diferentes autores y
las herramientas con que hoy día cuentan los profesionales para hacer una primera incursión
en un tema que alarma, cada vez preocupa más a nuestros ciudadanos, y en consecuenciatambién a la compañías suministradoras.
A través de casos prácticos se deja constancia a quienes ya han empezado a considerar
seriamente la implantación y utilización a diario de los modelos.
Cuando el proceso de simulación se prolonga a un período continuado de
funcionamiento del sistema superior a 24 horas, se pueden observar claramente a travésdel modelo los inmediatos efectos de una determinada explotación del sistema (plantasde producción y red de distribución) sobre la evolución de la calidad del aguapotable.
El deterioro de la calidad del agua en la red tiene lugar, muy a menudo, sin que hayaninguna posibilidad de corregirlo. Así pues, si se aplica como única garantía un
tratamiento con cloro al final del proceso de potabilización, no hay más remedio quecontrolar de manera exhaustiva las condiciones del flujo a través de la red. Los datos de
partida, tomados como base para el cálculo.
Es obligado reconocer que el estado actual de la tecnología, sus costes, y la disposición de
herramientas informáticas, hacen que no pueda considerarse durante más tiempo como un
"lujo" la utilización de sistemas de simulación y monitorización para controlar la calidad
del agua potable en nuestras redes