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CURSO ANEAS:
Modelación Hidráulica y Sectorización
de Redes de Agua Potable
Por Leonel Ochoa Consultor
Sistema de Aguas de la Ciudad de México, SACMEX
Noviembre 2014
REINO UNIDO, 1980 “District Metered Area (DMA)”
ORIGEN DE LA SECTORIZACIÓN DE
REDES DE AGUA
DISTRITO HIDROMÉTRICO TÍPICO
SECTORES HIDROMÉTRICOS
¡ EL ENFOQUE MODERNO DE LOS SECTORES HIDROMÉTRICOS ES
EN EL CONTEXTO INTEGRADO DE EFICIENCIA HIDRÁULICA,
VOLUMÉTRICA Y ENERGÉTICA !
SECTORES
HIDROMÉTRICOS
( SH )
¡ EJEMPLO DE SECTORIZACIÓN DE UN SISTEMA DISTRIBUCIÓN DE
AGUA POTABLE
TRAZO DE RED CONVENCIONAL
TIPO DE SECTORIZACIÓN I
RED PRIMARIA CON BLOQUES DE TUBERÍAS
SECUNDARIAS
EJEMPLO…
TIPO DE SECTORIZACIÓN II
REDES PRIMARIA Y SECUNDARIA INTEGRADAS
EJEMPLO…
RED CON SECTORES
Facilita el el mejoramiento de la
eficiencia volumétrica, hidráulica y energética
en la red de agua potable
RED CONVENCIONAL
Dificulta el proceso de incremento de
eficiencia del sistema de agua potable
CUATRO ELEMENTOS NECESARIOS PARA SECTORIZAR
UNA RED:
Sector completamente aislado
Sector con suministro de agua
independiente
Sector cumple especificaciones de velocidad y
presión en tuberías y nodos
Sector garantiza suministro continuo a
usuarios.
ETAPAS DE LA SECTORIZACIÓN
DE REDES DE
AGUA POTABLE
Planeación
Construcción e instrumentación
Operación y mantenimiento
• Selección del período de diseño del proyecto • Evaluación del funcionamiento hidráulico del sistema • Estimación de la población en el sistema
• Análisis entre la oferta y demanda de agua • Anteproyecto de la sectorización de la red
• Verificación en campo del diseño y confirmación de obras a ejecutar
• Ejecución de obra civil
• Instrumentación y equipamiento
• Pruebas de aislamiento y puesta en operación • Evaluación de la eficiencia hidráulica • Evaluación de le eficiencia volumétrica
• Evaluación de la eficiencia de facturación • Mantenimiento continuo de sectores
Diseño
• Diseño hidráulico de la sectorización de la red • Diseño de distritos hidrométricos • Elaboración de planos constructivos y presupuesto
• Evaluación económica del proyecto
PLANEACIÓN
Zona 1 Zona 4
Colonia A 5.0 % Colonia G 6.0 %
Colonia B 13.0 % Colonia H 5.0 %
Total Zona 1 18.0 % Colonia I 8.0 %
Zona 2 Colonia J 12.0 %
Colonia C 4.0 % Colonia K 3.0 %
Coonia D 8.0 % Total Zona 4 34.0 %
Colonia E 7.0 % Zona 5
Total Zona 2 19.0 % Colonia L 3.0 %
Zona 3 Colonia M 5.0 %
Colonia F 14.0 % Colonia N 7.0 %
Total Zona 3 14.0 % Total Zona 5 15.0 %
Caudal total requerido 100.0 %
CAUDALES REQUERIDOS EN
UNA CIUDAD
NOTA: Se incluyen gastos de fugas
Distribución espacial los caudales (en
porcentaje) suministrados en una ciudad
ficticia;
OC= Obra de captación
Caudales demandados
Caudales suministrados
OC-2
OC-1
PORCENTAJEDECAUDALSUMINISTRADOYDEMANDADOENZONASACTUALES
Z-1
18%
Z-2
19 %
Z-4
34%
Z-3
14%
Z-5
15%
Zona Colonias Caudal suministrado Caudal demandado Diferencia
Z-1 A-B 8.0 % 18.0 % - 10.0 %
Z-2 C-D-E 17.0 % 19.0 % - 2.0 %
Z-3 F 10.0 % 14.0 % - 4.0 %
Z-4 G-H-I-J-K 23.0 % 34.0 % -11.0 %
Z-5 L-M-N 42.0 % 15.0 % + 27.0 %
TOTAL 100.0 % 100.0 % -
OC-2
OC-1
PORCENTAJEDECAUDALSUMINISTRADOYDEMANDADOENZONASACTUALES
Z-1
18%
Z-2
19 %
Z-4
34%
Z-3
14%
Z-5
15%
OC-2
OC-1
Z-1
11%
Z-2
19 %
Z-4
41%
Z-3
14%
Z-5
15%
PORCENTAJEDECAUDALSUMINISTRADOYDEMANDADOEN
SECTORESDEPROYECTO
REDISTRIBUCIÓN DE CAUDALES PARA
SECTORIZAR LA RED
Zona Colonias Caudal suministrado Caudal demandado Diferencia
Z-1 A 11.0 % 11.0 % 0 %
Z-2 C-D-E 19.0 % 19.0 % 0 %
Z-3 F 14.0 % 14.0 % 0 %
Z-4 B-G-H-I-J-K 41.0 % 41.0 % 0 %
Z-5 L-M-N 15.0 % 15.0 % 0 %
TOTAL 100.0 % 100.0 %
ETAPAS DE LA SECTORIZACIÓN
DE REDES DE
AGUA POTABLE
Planeación
Construcción e instrumentación
Operación y mantenimiento
• Selección del período de diseño del proyecto • Evaluación del funcionamiento hidráulico del sistema • Estimación de la población en el sistema
• Análisis entre la oferta y demanda de agua • Anteproyecto de la sectorización de la red
• Verificación en campo del diseño y confirmación de obras a ejecutar
• Ejecución de obra civil
• Instrumentación y equipamiento
• Pruebas de aislamiento y puesta en operación • Evaluación de la eficiencia hidráulica • Evaluación de le eficiencia volumétrica
• Evaluación de la eficiencia de facturación • Mantenimiento continuo de sectores
Diseño
• Diseño hidráulico de la sectorización de la red • Diseño de distritos hidrométricos • Elaboración de planos constructivos y presupuesto
• Evaluación económica del proyecto
FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO DEL SISTEMA
Pt =K
1+ be-at
Modelo logístico de
Verhulst, 1920
DISTRIBUCIÓN
ESPACIAL DE LA
POBLACIÓN
BALANCE HÍDRICO
AGUA
SUMINISTRADA
942.93' m3
100%
CONSUMOAUTORIZADOFACTURADO
508.8' m3
54%
Errores de exactitud
0.43' m3 (0.05%)
Errores de lectura y captura
0.86' m3 (0.09%)
CONSUMOAUTORIZADO
NO–FACTURADO
38.1' m3
4%
Reparación tuberías
3.8' m3 (0.4%)
Procesos de plantas
7.6' m3 (0.8%)
Parques públicos
13.3' m3 (1.4%)
Incendio y otros
11.4' m3 (1.2%)
PÉRDIDASAPARENTES
66.14' m3
7.0%
Usos ilegales regularizados
1.15' m3 (0.1%)
Fugas eliminadas tuberías
2.31' m3 (0.24%)
USOS ILEGALES POTENCIALES
56.39' m3 (6.0%)
FUGAS POTENCIALES TUBERÍAS
43.88' m3 (4.7%)
Errores en cuota fija
7.31' m3 (0.78%)
CONSUMOAUTORIZADO
546.9' m3
58%
PÉRDIDASDE AGUA
396.03' m3
42%
PERDIDASREALES
329.89' m3
35.0%
AGUA
FACTURADA
508.8' m3
54.0%
AGUA
NOFACTURADA
434.1' m3
(46.0%)
Agua Exportada
0' m3 (0%)
Consumo facturado
medido
330.73' m3 (35.1%)
Consumo facturado
no medido178.08' m3 (18.9%)
Consumo no facturado
medido
19.0' M3 (2%)
Consumo no facturado
no medido
19.0' M3 (2%)
Agua facturada y enviada
hacia otras redes 0' m3 (0%)
Consumo doméstico
231.51 m3 (24.6%)
Consumo No-doméstico
99.22' m3 (10.5%)
Consumo de cuota fija
178.08' m3 (18.9%)
Consumo
no autorizado
57.54' m3 (6.1%)
Inexactitudes de medidores
y errores de manejo de datos
8.6' m3 (0.9%)
Fugas en tuberías de
conducción y distribución
46.19' m3 (4.9%)
Fugas y derrames en
tanques
6.6' m3 (0.7%)
Fugas en tomas
domiciliarias
280' m3 (29.7%)
Evaporación en depósitos
1.9' m3 (0.2%)
Fugas eliminadas tanques
2.97' m3 (0.31%)
FUGAS POTENCIALESTANQUES
0.33' m3 (0.03%)
Fugas eliminadas en tomas
56.08' m3 (5.95%)
FUGAS POTENCIALES EN TOMAS
224.33' m3 (23.79%)
BALANCE HÍDRICO
ESTANDAR DE LA INTERNATIONAL WATER ASSOCIATION, IWA
Escenario A: Demanda MAYOR que el suministro de agua
PROYECCIÓN DE LA DEMADA DE AGUA
Escenario A. Demanda actual mayor que la oferta
EJEMPLO
Nivel de fugas 20 % Dotación 240 L/hab/día
CONCEPTO ZA-2 ZA-3 ZA-1 Suma
Población de proyecto 44,834 60,733 10,071 115,638
Q requerido (L/s) 124.5 168.7 28.0 321.2
Fuentes de suministro Presa, minas Cabadeñas y
Esmeralda
Pozos el
Verano
Mina Vesper y la
Recompensa
Q suministrado (L/s) 90.00 240.00 44.00 374.00
Diferencia Q (L/s) -34.5 71.3 16.0 52.8
Déficit Superávit Superávit Superávit
Nivel de fugas 20 % Dotación 240 L/hab/día
CONCEPTO ZA-2 ZA-3 ZA-1 Suma
Población de proyecto original 44,834 60,733 10,071 115,638
Población de proyecto
modificada 32,385 72,896 10,356 115,637
Q requerido (L/s) 90.0 202.5 28.7 321.2
Fuente de suministro Presa, minas
Cabadeñas y La
Esmeralda
Pozos el Verano Mina Vesper y la
Recompensa
Q suministrado (L/s) 90.0 240.00 44.00 374.00
Diferencia Q (L/s) + 0.0 + 37.5 + 15.3 + 52.8
Superávit Superávit Superávit Superávit
SUB-SECTORIZACIÓN
SECTORIZACIÓN DE
REDES CON POZOS
DISPERSOS EN LA
CIUDAD
DISEÑO
ETAPAS DE LA SECTORIZACIÓN
DE REDES DE
AGUA POTABLE
Planeación
Construcción e instrumentación
Operación y mantenimiento
• Selección del período de diseño del proyecto • Evaluación del funcionamiento hidráulico del sistema • Estimación de la población en el sistema
• Análisis entre la oferta y demanda de agua • Anteproyecto de la sectorización de la red
• Verificación en campo del diseño y confirmación de obras a ejecutar
• Ejecución de obra civil
• Instrumentación y equipamiento
• Pruebas de aislamiento y puesta en operación • Evaluación de la eficiencia hidráulica • Evaluación de le eficiencia volumétrica
• Evaluación de la eficiencia de facturación • Mantenimiento continuo de sectores
Diseño
• Diseño hidráulico de la sectorización de la red • Diseño de distritos hidrométricos • Elaboración de planos constructivos y presupuesto
• Evaluación económica del proyecto
ANTEPROYECTO DE
SECTORES EN LA RED
CLAVE SECTOR HIDRÁULICO
POBLACIÓN (hab)
GASTO MEDIO (L/s)
GASTO MÁXIMO
DIARIO (L/s)
GASTO MÁXIMO
HORARIO (L/s)
SH-1 Paraíso Limón 10,749 24.80 34.72 53.81 SH-2 Zapata 32,078 74.00 103.60 160.57
SH-3 Los Manguitos 5,248 12.11 16.95 26.27 SH-4 Las Mesas 13,179 30.40 42.56 65.97
SH-5 Tlapanecos-Hujal 15,663 36.13 50.58 78.40 SH-6 Quebrachal 3,468 8.00 11.20 17.36
Total = 80,385 185.43 259.60 402.38
SECTORPARAÍSOSH-1
MODELO DE
SIMULACIÓN
HIDRÁULICA DE RED
SECUNDARIA
ZONASINAGUA
ZONASINAGUA
ZONACONPRESIÓNALTA
SECTORPARAÍSOSH-1
ZONACONAGUA
ZONACONAGUA
ZONACONPRESIÓNREGULAR
SECTORPARAÍSOSH-1
INSTALARTUBERÍANUEVA
INSTALARVÁLVULAREDUCTORADEPRESIÓN
A3.5KG/CM2
DESCONECTARTUBERÍA
CONECTARTUBERÍA
Análisis hidráulico y adecuaciones de
diseño para el buen funcionamiento
hidráulico interno del sector hidrométrico
• Diámetros de tuberías con insuficiente
capacidad hidráulica
• Recorridos del agua muy largos
• Discontinuidades en los tramos de tuberías
• Reducciones de diámetros grandes a muy
pequeños en tuberías
• Topografía irregular del área
• Zonas con elevaciones altas
Razones que impiden la
distribución del agua en la red:
RED PRIMARIA ORIGINAL
RED PRIMARIA DE PROYECTO
MODELO DE SIMULACIÓN HIDRÁULICA DE LA RED PRIMARIA:
Diseño de su funcionamiento
Fases de la modelación de los sistemas hidráulicos a presión…
11
13
Nodo especial
(Tanque)
Nodo especial
(Tanque)
Nodo especial
(Pozo)
Nodos especiales
(Demanda de agua)
Nodo simple
REPRESENTACIÓN DE UNA RED EN UN MODELO HIDRÁULICO
Qi, j + qi = 0j=1
m
å
DHk, j = 0j=1
n
å
I = Número de nodos en la red
K = Número de circuitos en la red
DHk, j = f0.81* L
g* D5Q2
æ
èç
ö
ø÷
k, j
- Q1,3
+ Q1,0 - Q1,2
- q1
- ΔH3,8 + ΔH3,11
- ΔH3,10
+ ΔH3,9
Circuito k=3
Nodo i=1
Q1,0 – Q1,3 – Q1,2 – q1 = 0
DH3,9 + DH3,11 - DH3,10 - DH3,8 = 0
Primera Ley:
Segunda Ley:
CIRCUITO k = 3
3
2
0
NODO i = 1
ANÁLISIS HIDRÁULICO DE REDES Leyes de Kirchoff :
Nodo i-1 Nodo i
Nodo i-1 Nodo i
Demandas de agua en las conexiones domiciliarias (qi-1, i)
La demanda de agua en el nodo del modelo es igual a la suma de las
demandas de agua de las conexiones domiciliarias qi = Σ(qi-1, i)
qi
Flujo
SITUACIÓN REAL
REPRESENTACIÓN EN MODELO
Modelo de flujo permanente
Nodos:
• Elevación
• Demanda
• Ubicación
Propiedades
Tuberías:
• Diámetro
• Longitud
• Rugosidad
Tanques:
• Nivel de agua
• Elevación
• Ubicación
Válvulas:
• Tipo de función
• Diámetro
• Estado
Bombas:
• Curva Q-H-n
• Nivel dinámico
• Ubicación
Resultados
Nodos:
• Presiones
Tuberías:
• Gastos
• Velocidades
• Dirección del flujo
Software
comercial
disponible
EPANET
y=0.0934x+530.55R²=0.89918
0
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
0 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 120,000 140,000 160,000
Nú
mero
de n
od
os d
el
mo
delo
Númerodeconexionesenlared
DH-1 DH-2
DISEÑO DE DISTRITOS HIDROMÉTRICOS
Tubería abierta
Q salida =27.58 L/s
Tubería abierta
Q salida = 18.5 L/s
Tubería abierta
Q entrada = 45.9 L/s
DH-2 No-aislado
Presiones normales de operación en
toda la zona
Tubería abierta
Q entrada = 13.82 L/s Caudal neto para el DH-2
Q DH =13.64 L/s
Tubería cerrada
Q salida = 0 L/s
Tubería cerrada
Q salida = 0 L/s
Tubería abierta
Q entrada = 13.64 L/s
DH-2 Aislado una entrada de agua
Presiones en cero en toda la
esta zona
(Sin agua)
Tubería cerrada
Q entrada = 0 L/s Caudal neto para el DH-2
Q DH =13.64 L/s
Tubería abierta Q salida = 46.08 L/s
Tubería cerrada Q salida = 0 L/s
Tubería abierta Q entrada = 59.72 L/s
DH-2 Aislado una entrada y una
salida de agua
Presiones normales en toda
la esta zona
Tubería cerrada Q entrada = 0 L/s
Caudal neto para el DH-2
Q DH =13.64 L/s
DISEÑO DE DISTRITOS HIDROMÉTRICOS
DENTRO DE SECTORES
ELABORACIÓN DE PLANOS DE DISEÑO EJECUTIVO DE SECTORES
fF/P,i,N = (1+ i)N
ANÁLISIS ECONÓMICO DEL PROYECTO DE SECTORIZACIÓN
BENEFICIOS DEL PROYECTO DE
SECTORIZACIÓN
AHORRO DE ENERGÍA
ELÉCTRICA CON
EQUIPOS DE BOMBEO DE
DISEÑO
AHORRO DE AGUA
PRODUCIDA POR REDISTRIBUCIÓN
DE CAUDAL
AHORRO DE AGUA POR REDUCCIÓN DE FUGAS
B
C³1 Þ Proyecto de sectorización viable económicamente
CFFIS
EEBRFRHC
CCC
BBB
C
B
BENEFICIOS Y COSTOS EN VALOR PRESENTE ( $ )
Fin de la
primera parte
Dr. Leonel Humberto Ochoa Alejo
Consultor
Sistema de Aguas de la Ciudad de México, SACMEX
Correo: leonelochoa@yahoo.com.mx
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