No. 6 Enero - Junio 2012

Revista

Evolución de la publicidaden EPM:desde las huellas de una identidada la gestión de la marca

Diseño e implementación de la norma técnica RA8-025 para el programa de electrificación rural"Antioquia Iluminada"

Dosier:saneamiento

Gestión de PCB en EPM

RevistaRevista EPM No. 6Enero - Junio de 2012

ISSN: 2145-1524

Juan Esteban Calle Restrepo Gerente GeneralMaritza Alzate Buitrago Secretaria GeneralJesús Arturo Aristizábal Guevara Director de EnergíaEduardo Esteban Cadavid Restrepo Director de AguasAdriana María Palau Ángel Directora de Planeación InstitucionalClaudia Chapman Chapman Directora de Servicios InstitucionalesHernán Darío Vergara Castro Director de Control InternoPaula Restrepo Duque Directora Responsabilidad EmpresarialÓscar Herrera Restrepo Director Finanzas InstitucionalesGloria Haidee Isaza Velásquez Directora Gestión Humana y OrganizacionalGabriel Jaime Betancourt Mesa Director de Crecimiento InternacionalAna Cristina Navarro Posada Jefe Unidad de ComunicacionesValería Restrepo Abad Asesora de Proyectos Especiales

Grupo de Publicaciones EPM:

Ana Cristina Navarro PosadaJefe Unidad de ComunicacionesCarlos Mario Montoya DíazJefe Unidad de Aprendizaje Organizacional Carlos Andrés Vargas AriasProfesional Subdirección Identidad EmpresarialJosé Ignacio Murillo ArangoProfesional Unidad de ComunicacionesLuz Beatriz Rodas GuerreroProfesional Unidad de Aprendizaje Organizacional

Coordinación de diseño: Subdirección Identidad EmpresarialRevisión de textos: Unidad de Comunicaciones

Periodicidad: semestral

Solicitud de canje:Biblioteca EPMCarrera 54 No.44-48 Plaza de CisnerosTeléfono: 3807500Bibliotecaepm@epm.com.coMedellín - Colombia

Empresas Públicas de Medellín E.S.P. Carrera 58 No. 42 - 125 Apartado 940E-Mail: epm@epm.com.co Tel: 3808080Medellín - Colombiawww.epm.com.co

© Copyright: Empresas Públicas de Medellín E.S.P. No está permitida su reproducción por ningún medio impreso, fotostático, electrónico o similar, sin la previa autorización escrita del titular de los derechos reservados.

Las opiniones expresadas por los autores en este número corresponden a su posición personal.

4

Revista

Alternativas para disminuirlos caudales pluviales en el sistema de

alcantarillado en Medellín

Pág. 8

Contenido

Modelación y simulación de la planta de tratamiento de aguasresiduales San Fernando con el software GPS- X versión 5.0

Pág. 32

Aplicación de lasmetodologías de CCTV y los sistemas de informacióngeográficos (SIG)en la rehabilitación sin zanjade redes de alcantarillado

Pag. 42Propuesta metodológica para la conceptualizaciónde sistemas de drenaje urbano

Pág. 20

Dosier: saneamiento

5

Aliviaderos en alcantarillados combinados en ciudades de valles angostos con altas pendientes

Pág. 70

Aplicación eficientede recursos financieros a los sistemas de saneamiento

Evolución de la publicidad en EPM: desde las huellas de una identidad a la gestión de la marca

Pág. 80 Pág. 108

Revisión críticadel diseño de las cámaras de inspección utilizando el criterio de “empalme de líneas de energía”

Pág. 58

Gestión de PCBen EPM

Diseño e implementación de la norma técnica RA8-025 para el programa de electrificación rural “Antioquia I luminada”

Pág. 88

Pág. 96

EPM es una empresa que genera conocimiento. En cada uno de sus procesos es posible percibir la huella de la experiencia y del espíritu de investigación e innovación que anima a nuestra gente.

Esta revista de circulación semestral, que llega a su sexta edición dentro de la nueva etapa que inició en el año 2009, es un espacio para divulgar ese saber que está inmerso en la dinámica de EPM, donde confluyen la teoría y la práctica, la academia y el ejercicio profesional en la prestación de los servicios públicos.

Encontramos aquí el resultado del contacto que siempre valoramos entre la gestión empresarial y la vida de las aulas, con una visión global y de búsqueda de la excelencia, con respeto por el conocimiento, compromiso con el aprendizaje y un marcado interés por hacer las cosas bien hechas pensando siempre en el beneficio de la gente y del país.

Esta edición presenta un compendio sobre el saneamiento, un aspecto importante de la gestión de EPM que se refleja en la solidez de su sistema en el Valle de Aburrá y en programas de gran trascendencia como el saneamiento del río Medellín, que este mismo año empezará a cumplir una etapa crucial con la construcción de la planta de tratamiento de aguas residuales Bello.

Se destaca igualmente que los trabajos de investigación que conforman la publicación son resultado de la especialización en Ingeniería de Sistemas Hídricos Urbanos, realizada con la Universidad de Los Andes por 33 funcionarios de la Dirección de Aguas de EPM.

Esta primera parte está compuesta por siete artículos que exploran, entre otros, aspectos como el uso de las tecnologías para la rehabilitación de redes de alcantarillado sin zanja, las alternativas para disminuir los caudales pluviales en una ciudad como Medellín,

Juan Esteban Calle RestrepoGerente General

la aplicación eficiente de los recursos financieros a los sistemas de saneamiento en Colombia y el uso de software especializado para modelación y simulación de una planta de tratamiento de aguas residuales.

Sorprende encontrar en estas páginas cómo detrás de elementos en apariencia tan sencillos, como lo es por ejemplo una cámara de inspección del sistema de alcantarillado, hay toda una trama de ecuaciones, de materiales y procedimientos. Los autores de estos artículos hacen visible ese mundo y lo comparten con generosidad.

Completamos este número de la Revista EPM con tres temas diferentes: la implementación de la norma técnica RA8-025 en el programa de electrificación rural Antioquia Iluminada, la gestión de PCB (compuestos sintéticos cuyo uso, por el impacto que tienen en la salud y en el medio ambiente, está regulado por el Convenio de Estocolmo de 2001) en EPM y la historia de la publicidad en esta empresa que hoy consolida su marca en el mercado nacional e internacional.

Esta revista es otro espacio creado por EPM para propiciar el encuentro, el acercamiento con sus grupos de interés. Nos interesa compartir lo aprendido durante más de 56 años de vida institucional y contribuir a que las nuevas generaciones de profesionales, los docentes e investigadores conozcan, discutan y exploren con nosotros, desde los más diversos puntos de vista, cómo se prestan los servicios públicos domiciliarios, una tarea que, como aquí podemos apreciarlo, asumimos con total responsabilidad social y ambiental.

8

Dosier: saneamiento

Claudia Helena García BetancurÁrea Vinculación Clientes Aguas de EPMcaudia.garcia@epm.com.co

Alternativas para disminuirlos caudales pluviales en elsistema de alcantarillado de Medellín

Palabras claveTanques de almacenamiento temporal, pluviometría, capacidad hidráulica, drenaje, lluvia de tormenta.

9

ResumenPara una ciudad como Medellín, que avanza hacia su pleno desarrollo, resulta muy oneroso para su desarrollo urbano que las lluvias torrenciales provoquen inundaciones en sectores críticos, con un alto riesgo para quienes los habitan o los transitan, con un incremento en el gasto del presupuesto público para mitigar los daños causados y un aumento del presupuesto privado para reponer los bienes dañados.

En este estudio se plantearon soluciones al problema de las aguas pluviales torrenciales con varias alternativas enmarcadas en técnicas de drenaje urbano sostenible, que permitan manejar el aumento del vertimiento por el acelerado crecimiento poblacional, sumado a los factores del cambio climático como las lluvias torrenciales que sobrepasan cualquier diseño o planeamiento del servicio de drenaje urbano actual.

Los sitios asociados a la problemática marcada por inundaciones en Medellín, situación que se ha visto incrementada en los últimos años por los efectos del cambio climático son: la Avenida del Ferrocarril con la calle San Juan, sector de La Alpujarra; deprimido de la Avenida Oriental en el sector conocido como Los Puentes; el sector de Suramericana, vía y parqueaderos subterráneos, y el sector de la Autopista Sur, entre las calles Colombia y Pichincha; deprimido sobre la carrera

63D que conecta la calle San Juan con la Autopista Sur, comúnmente llamado Los Músicos, y el deprimido del intercambio vial de Bulerías, calle 33 con la Avenida Nutibara, entre otros, Para plantear las alternativas de técnicas de drenaje urbano sostenible para la ciudad, se tomaron los lugares más críticos identificados con problemáticas de inundaciones por eventos de lluvias de tormenta, y de estos, los lugares que por sus características de extensión se consideran como áreas aportantes relativamente grandes, resultando para el caso de estudio el sector de La Alpujarra, específicamente el intercambio vial de la Avenida del Ferrocarril con la calle San Juan.

Entre las técnicas de drenaje urbano sostenible posibles a emplear, se encuentran los sistemas de infiltración como superficies permeables, pozos, zanjas y depósitos de infiltración; sistemas de captación y transporte como drenes filtrantes o franceses, cunetas verdes y franjas filtrantes; y por último, sistemas de tratamiento pasivo como depósitos de detención, estanques de retención y humedales artificiales.

Caso de estudio: sector de La Alpujarra en el Intercambio Vial de San Juan con la Avenida del Ferrocarril, en la ciudad de MedellínEste punto se tomó por ser uno de los más neurálgicos de Medellín. Es un paso peatonal y vehicular obligado que conduce a los centros gubernamentales Municipal, Departamental y también algunas del orden Nacional. Allí se concentran los servicios administrativos, judiciales y comerciales, al tiempo que presenta el flujo vehicular más alto de la capital antioqueña en dos de sus niveles viales afectados. Además, ha venido teniendo una trasformación de ciudad, desde el punto de vista urbano y cultural, de alta trascendencia.

En este sector se identifican edificios, espacios abiertos como parques, parqueaderos y plazas, entre otros, con áreas significativas de pisos duros y de poca permeabilidad, que contribuyen a incrementar los volúmenes de escorrentía superficial y consecuentemente a drenar por las redes.

Igualmente, se realizó la caracterización de la cuenca Centro Parrilla, donde se encuentra localizado el sitio de estudio, con el siguiente contenido: ubicación geográfica, condiciones geomorfológicas, usos del suelo, zonificación de la aptitud geológica para el uso y ocupación del suelo, geología, conformación del sector y coeficiente de impermeabilidad.

10

Dosier: saneamiento

Selección de alternativa y análisis técnicoLa principal alternativa propuesta para buscar solucionar la problemática de inundación en el sector de estudio, es la construcción de un tanque de almacenamiento temporal del agua lluvia, aplicando la técnica de depósito de detención subterráneo como parte de un sistema de tratamiento pasivo de drenaje sostenible (depósito de tormenta).

Para desarrollar la propuesta, se realizó una revisión de la información de las redes del sector, tomando del sistema geográfico de EPM las longitudes y pendientes de los tramos, los diámetros y material de las tuberías, las cotas, las profundidades de batea de entrada y salida, la conectividad y la descarga, presentadas por el trayecto de red que sirve de drenaje para el deprimido del intercambio vial de San Juan con la Avenida del Ferrocarril. Toda esta información se tomó con la herramienta G/Technology del sistema de EPM.

Figura 2. Esquema del trazado de la red de agua pluvial que sirve al caso de estudio. Fuente: EPM Aguas, Grupo Drenaje Urbano. Puntos vulnerables de drenaje urbano. Medellín, 2010.

11

Para definir el área tributaria se tuvo en cuenta la conformación de las vías del sector, los arranques de las redes pluviales y la observación en campo de los recorridos del agua superficial en el área de estudio durante la ocurrencia de varios eventos de lluvias torrenciales, donde se evidenció que el agua de escorrentía superficial no alcanza a ser evacuada completamente por el sistema de drenaje de aguas lluvias y sus áreas aferentes.

De esta manera, se asume la captación de los sumideros en un 25 % durante un evento de lluvia torrencial, teniendo como referente para elegir este porcentaje un estudio experimental del funcionamiento de sumideros de aguas lluvias, con pendientes longitudinales del 0% al 10% y transversales del 0% al 5%, en un tramo de vía de 14 metros de longitud.

Figura 1. Esquema de redes existentes. Fuente: G/Technology NetViewer EPM.

12

Dosier: saneamiento

En el análisis de esta información se hizo un chequeo de la capacidad hidráulica al tramo de red que transporta las aguas lluvias del deprimido, teniendo en cuenta, para seleccionar el área tributaria, la disposición de los arranques de la red existente en la vía a desnivel y así conocer su comportamiento en condiciones teóricas. El tramo chequeado fue el número C1E-C2E, con un área estimada de 0,99 hectáreas (caso 1), y para realizar un cálculo más cercano al comportamiento del escurrimiento del agua superficial que llega al deprimido se amplió el área tributaria y se estimó en 7 hectáreas (caso 2). Las áreas fueron medidas en los planos CAD y en el SIGMA de EPM.

Determinación de caudal de diseño de la red existentePara realizar la verificación de la capacidad hidráulica de la red de drenaje de agua lluvia existente en el deprimido de San Juan hacia la Avenida del Ferrocarril y el cálculo del caudal de diseño del tanque de retención, se utilizó el método racional, empleando para ambos casos una hoja de cálculo de Excel para revisión de diseños. En dicha hoja se tuvieron datos de entrada como: área tributaria, longitud de tubería, cota de terreno y cotas de batea de los puntos aguas arriba y aguas abajo del tramo en verificación, distancia y pendiente al punto más alejado, material y diámetro de la tubería, complementada con el nombre de la estación pluviográfica local y el período de retorno que, a su vez, introduce en la tabla los datos pluviográficos de dicha estación.

Todos estos datos fueron utilizados para el cálculo de otros parámetros como: coeficiente de escorrentía, tiempo de entrada, tiempo de concentración, tiempo de tránsito, relaciones de velocidades selección del coeficiente de rugosidad de Manning y el cálculo del caudal de diseño; este último con la fórmula del método racional incluida en la hoja de cálculo. De esta forma se verifica la capacidad hidráulica con el cálculo de q/Q y si cumple esta verificación,la hoja de cálculo realiza las demás comprobaciones: Vr/V, velocidad real, relación hidráulica de la lámina de agua con respecto al diámetro, radio hidráulico, relaciones de diámetro y esfuerzo cortante.

Cálculo del caudal por el método racional: Q = C * i * A donde; C: coeficiente de escorrentíai : intensidad de precipitación [l / s / Ha]A: área tributaria [Ha]

Datos comunes a ingresar para los casos de verificación hidráulica del tramo C1E-C2E:Estación pluviográfica: Miguel de AguinagaPeriodo de retorno: 5 años Coeficiente de impermeabilidad: 1Velocidad supuesta: 2,5 m/sCota de terreno superior: 1.462,50 mCota de terreno inferior: 1.466,10 mCota de batea entrada: 1.461,13 mCota de batea salida: 1.460,54 mLongitud del tramo a verificar: 82,55 mDiámetro de la tubería: 600 mmCoeficiente de rugosidad: 0,013

Datos específicos de cada caso:Área tributaria de aguas lluvias: Área para verificación 1: 0,99 haÁrea para verificación 2: 7 ha

Longitud del punto más alejado: Longitud 1: 196 mLongitud 2: 547 m

Pendiente al punto más alejado:Pendiente al punto 1: 2%Pendiente al punto 2: 2%

13

De los datos obtenidos de la hoja de cálculo para los casos 1 y 2, se concluyó que el caudal máximo que puede transportar la tubería verificada es de 519,09 l/s, valor a partir del cual se presentan inundaciones y sólo cumpliría con la capacidad hidráulica cuando el área tributaria considerada, A= 0,99 ha, no incluye los volúmenes de escorrentía adicionales que le están llegando por las condiciones del terreno. Esto se evidencia en el resultado de la segunda verificación, donde se tomó un área mayor, presentando incapacidad hidráulica en la red.

Finalmente, para desarrollar un cálculo más previsivo teniendo en cuenta el agua que puede llegar al sitio, proveniente de zonas más alejadas que las anteriormente seleccionadas durante los eventos de lluvia de tormenta, y aplicando el criterio antes mencionado, para definir un área tributaria maximizada para calcular el caudal de diseño de la estructura de detención se obtuvo un área tributaria de 38,38 hectáreas.

Para el cálculo del caudal de diseño del tanque de detención, se ingresaron nuevamente a la hoja de cálculo todos los datos requeridos por la fórmula del método racional, como lo son estación pluviográfica, período de retorno, área tributaria, coeficiente de impermeabilidad, distancia y pendiente al punto más alejado.

Datos para el cálculo de caudal de diseño del tanque de detención:

Estación pluviográfica: Miguel de AguinagaPeriodo de retorno: 10 años, por ser un área mayor de 10 haÁrea tributaria de aguas lluvias: 38,38 haCoeficiente de impermeabilidad: 0,90Pendiente de áreas tributarias: 2%Longitud del punto más alejado: 1.022 mPendiente al punto más alejado: 2%

El caudal total, obtenido en la hoja de cálculo para el diseño del tanque de detención con los datos especificados, es de 7.293,84 l/s, aproximado a 7.294 l/s. Con la suposición hecha para la alternativa propuesta, se considera que solo un 25% de este caudal va a las redes y el otro 75%, que equivale a 5.471 l/s, es el caudal de diseño para el tanque de almacenamiento temporal.

Figura 3. Esquema de área tributaria maximizada.

14

Dosier: saneamiento

Cálculo del volumen del tanque

Para el cálculo del volumen, se estimó un tiempo de lluvia conservador de 20 minutos de duración. Por lo tanto: V= QAlm*t

Valm : Volumen a almacenar [m3]

QAlm : Caudal de almacenamiento

t : Tiempo de duración [min]

Valm = 5.471 l/s * 20 min * 60 s * 0,001 m3

Valm = 6.565 m3

Sitio de ubicación y área disponible para el tanque de tormenta propuesto

Para definir un posible sitio de ubicación, se identificaron lugares con áreas de superficie abierta como el parqueadero situado en el costado sur de la calle San Juan con la Avenida Ferrocarril, los parques de los costados nor-occidental y nor-oriental de la glorieta, zonas verdes dispuestas en el radio interno de la glorieta, entre el carril del deprimido y la vía a nivel de esta, entre otros. Adicionalmente a esta verificación, se hizo un análisis de conveniencia de localización, teniendo en cuenta de manera conceptual la mejor condición de llenado del tanque, privilegiando el llenado por gravedad, lo cual es posible en la zona verde ubicada en el costado sur en el radio interno de la glorieta, entre la vía oeste-este del deprimido y la vía a nivel, aprovechando la infraestructura de las redes existentes y su facilidad de adecuación a los nuevos elementos de conexión a la estructura de detención. Igualmente, el punto seleccionado tiene en cuenta la ubicación óptima del sistema de bombeo, necesario para realizar el vaciado del tanque, que debe hacerse nuevamente a la red por no tener en la zona posibilidad de descarga a una fuente natural, toda vez que se encuentra por debajo del nivel del río.

Otra información que se tuvo en cuenta para la selección es la investigación de la existencia de redes en el sitio que puedan interferir en un proceso constructivo. Medida de los planos CAD y en el SIGMA de EPM, tiene un área disponible de 2.310 m2.

Figura 4. Posible sitio de ubicación para el tanque de tormenta propuesto. Zona verde ubicada en el costado sur en el radio interno de la glorieta, entre la vía oeste-este del deprimido y la vía a nivel del intercambio vial de la calle San Juan con la Avenida del Ferrocarril.

15

Cálculo de tiempo de vaciado

En un sentido práctico, se puede calcular el tiempo de vaciado del tanque, bajo la condición:

VAlm :Volumen de almacenado [m3]

Qd :Caudal de descarga

El caudal máximo de descarga, es el caudal a tubo lleno de la tubería a la que se va a retornar el agua almacenada.

t= 3.5h

Para la descarga del tanque, se puede considerar en el cálculo de bombeo la instalación de dos bombeos que cubran la potencia requerida.

De acuerdo con la ubicación del tanque de almacenamiento, se podría establecer un primer bombeo a la red que en el trayecto se convierte en combinada y a partir de un período de almacenamiento hacer un segundo bombeo hacia la cobertura Zanjón Guayaquil.

Otras alternativas propuestas basadas en sistemas de infiltración

Técnicas de superficies permeables El desarrollo de proyectos de superficies permeables es posible en parqueaderos a cielo abierto, parques y plazas de la cuenca. Por su tamaño, el más importante es el parqueadero del Palacio de Exposiciones frente al Teatro Metropolitano, con un área aproximada de 4.250 metros cuadrados. Actualmente tiene una superficie irregular principalmente de grava, presenta encharcamientos en eventos de lluvia, y está dispuesto para usos múltiples. En este espacio se pueden realizar desarrollos de aplicación de superficies en adoquines permeables, pavimentos permeables incluso con franjas verdes o cunetas verdes, que cumplan simultáneamente el mejoramiento de drenaje superficial y procesos de cambios paisajísticos.

Otros desarrollos que se pueden realizar en la cuenca Centro Parrilla, requieren la intervención de las superficies actuales para realizar proyectos de pavimentos permeables, como las vías internas del sector del Edificio EPM y entre el Parque de los Pies Descalzos y Plaza Mayor; las vías internas entre la zona de La Alpujarra y la sede del Instituto para el Desarrollo de Antioquia, y en la Plaza de la Luz hacia el viaducto del Metro, donde se tienen actualmente superficies duras y allí podrían proyectarse obras al ser puntos de aplicación de pavimentos porosos y adoquines o depósitos de infiltración.

Cálculo de la profundidad

Con el área seleccionada y el volumen a almacenar, se hizo el cálculo de la profundidad del tanque (h) sin tener en cuenta el borde libre.

hAlm= VAlm

Aselecionada :Área seleccionada

VAlm :Volumen de almacenamiento [m3]

Esta profundidad puede variar de acuerdo con el diseño geométrico del tanque y con las condiciones estructurales de diseño, o en caso de que se vaya a utilizar sólo parte del área seleccionada. Un ejemplo sería que si se tuviera una profundidad h= 3.5 m, el área ocupada alcanzaría los 1.875.7 m2, aproximadamente el 81% del área disponible.

Aselecionada

h= 6565 = 2.842310

t= VAlm [h]QDes

t= 6565 m2*h519.09 l

s * 3600s * 0,001 m2

16

Dosier: saneamiento

Alternativas propuestas basadas en sistemas de almacenamiento

Técnicas de depósitos de retención Sistemas de tratamiento pasivo como el almacenamiento de aguas lluvias en un tanque de tormenta, o depósitos de retención como el del caso de estudio, se pueden hacer en el Parque de San Antonio que, con una superficie dura de más de 18.000 metros cuadrados, es uno de los sitios que más agua de escorrentía aporta a la red de drenaje pluvial. En este lugar se podría llevar a cabo una combinación de tratamientos de drenaje urbano, considerando implementar zonas de jardines, conduciendo el flujo hacia una estructura de tratamiento pasivo con tanques de detención y utilizando parte del sótano 2 de parqueaderos. De esta forma se lograría un mejor manejo de las aguas de escorrentía y la recuperación de las calidades paisajísticas y ambientales del sector.

Igualmente, en la Plaza de la Luz, que tiene 10.637 metros cuadrados de área, con una superficie dura en su mayoría y por ser una plaza relativamente nueva, se propone como una posible zona para realizar un proyecto con un depósito de detención con lo cual solo se tendría que intervenir una pequeña sección de la misma.

Esta propuesta sería posible con un depósito de área aferente amplia, que incluso aliviaría en parte el problema del caso de estudio de este trabajo. Otra gran ventaja es que permitiría, por su ubicación y cota, el descargue por gravedad de una parte del depósito.

Estas y otras alternativas viables técnicamente, incluso necesarias, no encuentran viabilidad financiera puesto que la cuenca Centro Parrilla está compuesta, en su mayoría, por bienes inmuebles construidos en un área de muy alto valor por metro cuadrado y generalmente los propietarios y constructores prefieren pagar con multa las zonas verdes que debieran tener. Esto se aprecia en el mapa de usos del suelo de la cuenca, donde se destacan en color verde los parques y zonas verdes, apreciándose un muy bajo uso del suelo. Sin embargo, sí se pueden hacer nuevos desarrollos de ciudad que incorporen algunos depósitos de detención subterráneos en la zona paralela a la línea B del Metro.

Conclusiones

Según el cálculo realizado, con la verificación de la capacidad hidráulica del tramo de la red que transporta el caudal que llega al deprimido del caso de estudio, se encontró que se está generando incapacidad en dicha red, lo que se evidencia con las inundaciones que se vienen presentando cuando ocurren eventos de lluvias torrenciales en el sector. Esta situación se presenta porque están llegando caudales adicionales a transportar por dicha red.

En la revisión de las redes que transportan el caudal que llega al deprimido de la calle San Juan con la Avenida del Ferrocarril, según la base geográfica SIGMA de EPM, se encontró que el recorrido que hace el flujo antes de llegar a la descarga tiene una longitud aproximada de 1.600 metros, considerada demasiado larga por las pendientes tan bajas del terreno, donde el trazado de la red coincide con la planicie del río Medellín en zonas con pendiente prácticamente horizontal. Adicionalmente, en dos de los tramos, la red presenta estrangulamientos que también contribuyen a que se presenten inundaciones.

De acuerdo con las observaciones realizadas durante los eventos de lluvias en el sector del caso de estudio, se evidencia que los sumideros con que cuenta la zona no alcanzan a captar de forma eficaz los volúmenes de agua. En algunos tramos puede ser por ubicación inadecuada de los mismos o por taponamiento con la contaminación que les llega en el transcurso del evento de lluvia.

Para el caso de estudio, se encontró que son posibles las condiciones técnicas y el espacio requeridos para construir un sistema de almacenamiento temporal cercano al sitio de inundación que, de acuerdo con la topografía de la zona, tiene la factibilidad de recibir el aporte de caudales por gravedad, incluyendo los caudales del sector de la glorieta que también presenta problemas de inundación y se puede realizar el descargue posterior y controlado a las redes.

17

Actualmente no existe normatividad en el Plan de Ordenamiento Territorial ni en las normas específicas constructivas y de diseño de las redes de alcantarillado pluviales de EPM, para un manejo integral de las aguas lluvias con carácter de sistemas de drenaje urbano sostenible, como es el enfoque de las administraciones municipales a nivel mundial.

Desde todo punto de vista, es la legislación la llamada a liderar los desarrollos que la sociedad requiere y más específicamente en temas de saneamiento. Unas normas claras trazadas sobre las necesidades comunes permiten el cumplimiento de estándares mínimos de bienestar y desarrollo de una sociedad. Estas normas deben ser llevadas desde el compromiso institucional y la formación ciudadana, hasta la ejecución de obras de inversión y la convivencia con educación, que promueven el crecimiento de una ciudad sin estancamientos.

Se requiere entonces, una reglamentación sin vacíos en el mandato del manejo de los recursos naturales y específicamente en el manejo de las aguas lluvias, la formación de la población en el respeto de los desarrollos urbanísticos que buscan resguardar los recursos naturales, de los profesionales del área en el conocimiento y aplicación de estos nuevos temas, de los gobernantes por comprometerse con estos sistemas sostenibles y de las instituciones por invertir en desarrollos con visión de futuro en la preservación de los recursos naturales y su impacto en la sociedad.

18

Dosier: saneamiento

Bibliografía

Alcaldía de Medellín. Documento de drenaje urbano: Identificación de problemáticas asociadas a los eventos de lluvias, punto de vista urbanístico. Medellín 2010.

Asociación Española de Abastecimientos de Agua y Aaneamiento (AEAS). Los depósitos de retención de aguas pluviales de Barcelona: un nuevo enfoque en la lucha contra las inundaciones y la protección medioambiental. Memorias del XXIV Jornadas técnicas de la AEAS. Barcelona 2004. En: Tecnología del agua, Vol. XXIV Nº 252, septiembre 2004, pág. 36-40.

Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental de la Pontificia Universidad Católica de Chile. Sistemas estandarizados de drenaje de aguas lluvias para urbanizaciones y viviendas. (http://www2.ing.puc.cl/Aguaslluvias/quienes.htm).

EPM Aguas. Grupo Drenaje Urbano. Puntos vulnerables de drenaje urbano. Ponencia. Medellín. Diciembre de 2010.

EPM Aguas. Jornadas Iberoamericanas sobre el riesgo de inundaciones en zonas urbanas, Ponencia. Cartagena de Indias. Agosto de 2008.

Gómez Valentín, Manuel. Comportamiento hidráulico de las calles durante lluvias extremas en zonas urbanas. En: Ingeniería Hidráulica en México. Vol. XXIV, No. 3 (julio-septiembre, 2009); p. 51 – 62.

IRHA: Seminario: La recolección de agua de lluvia, una herramienta para la adaptación al cambio Climático y desarrollo. Rainwater Harvesting, a Tool for Development and Adaptation to Climate Change. (http://irha-h2o.org/page=Activities&section=Fourth_pillar&event=IRHA_Seminar:_Rainwater_Harvesting,_a-Tool_for_Development_and_Climate_Change_Adaptation). (Noviembre 2010).

Ministerio de Vivienda y Urbanismo de Chile, Dirección de Investigaciones Científicas y Tecnológicas – DICTUC. Guía de Diseño: Técnicas alternativas para soluciones de aguas lluvias en sectores urbanos. (http://serviu10.minvu.cl/Legislacion_y_Normativa/Urbanismo_y_Construccion/ aguas_lluvias.htm). (Noviembre de 1996).

Recomendaciones

Para el caso de estudio se recomienda hacer un diagnóstico completo de la capacidad hidráulica y el estado estructural de la red, toda vez que no hay una información de cuál es la red que puede conducir más agua, para seleccionar un tanque de almacenamiento como alternativa de alivio.

Hacer una evaluación de posibles desvíos y cambios de flujo en la red, para utilizar más eficientemente la estructura existente.

Instrumentar el río Medellín para conocer los niveles de descarga, trabajando con datos actualizados de las estaciones metrológicas de la cuenca, los cuales pueden ser suministrados por las mismas corporaciones ambientales, incluyendo los registros de EPM.

Teniendo identificados los puntos de inundación en la ciudad, es importante hacer una evaluación de costo – beneficio, donde se incluyan todos los precios asociados en que pueden llegar a incurrir las administraciones locales, por daños a terceros.

Hacer una simulación en los puntos identificados de inundación en términos de impermeabilidad.

Incluir el tipo de soluciones de drenaje urbano sostenible en el Plan de Ordenamiento Territorial, con énfasis en los proyectos de parques lineales para que incluyan zonas permeables y se disminuya la afectación que se está causando aguas abajo del parque.

Los sumideros son estructuras críticas, su diseño y ubicación debe obedecer a criterios técnicos para mejorar la eficiencia de captación. Por esta razón es importante tener en cuenta las evaluaciones técnicas experimentales realizadas y los casos prácticos como los presentados en la bibliografía.

Con el propósito de replicarlas localmente, tomar las experiencias de drenaje urbano sostenible, realizadas por otras ciudades con topografías semejantes a la de Medellín.

19

Navarro Pérez, Ivonne. Determinación de la viabilidad técnica y económica de un sistema de almacenamiento temporal de aguas de drenaje urbano para la ciudad de Bogotá. Bogotá, 2007, 187 p. Tesis (Ingeniería Ambiental) Universidad de Los Andes. Facultad de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental.

Perales Momparler, Sara. Et. Al. Los sistemas urbanos de drenaje sostenible (SUDS) en la hidrogeología urbana. [http://www.dina-mar.es/pdf/6-if-suds-2.pdf].

Rodríguez Bayón, Joseba et. Al. Sistemas urbanos de drenaje sostenible, SUDS. En: Interciencia. Vol. 30, N° 005 (mayo 2005); p. 255-260.

Rodríguez Hernández, Jorge. Estudio, análisis y diseño de secciones permeables de firmes para vías urbanas con un comportamiento adecuado frente a la colmatación y con la capacidad portante necesaria para soportar tráficos ligeros. Santander, 2008, 515 pág. Tesis doctoral. Universidad de Cantabria.

20

Dosier: saneamiento

Juan Fernando Zapata GaviriaSubgerencia Operaciones Sistemas Aguas, EPMjuan.zapata.gaviria@epm.com.co

Propuesta metodológicapara la conceptualizaciónde sistemas de drenaje urbano

Palabras claveHidrología urbana, diseño hidráulico, tránsito hidráulico, oxígeno disuelto, almacenamiento temporal, control en tiempo real, drenaje urbano.

21

ResumenCon este trabajo se pretende plantear una aproximación al nuevo pensamiento sobre los futuros sistemas de drenaje urbano, mediante una propuesta metodológica claramente definida que tenga en cuenta la integralidad del sistema en los componentes de la hidrología, la hidráulica del drenaje urbano y la calidad del agua, como una herramienta para la planificación de los sistemas de drenaje urbanos sostenibles.

Adicionalmente, pretende proporcionar al diseñador o proyectista los elementos necesarios para desarrollar los proyectos sobre el tema. Si bien estos tópicos son extensos, aquí se presentarán los puntos que cobran más relevancia en el diseño moderno de los alcantarillados.

1. La lluvia

Gran parte del territorio colombiano, especialmente las regiones Caribe, Andina y Pacifica, en la cuales vive el 90% de la población, está sometido al efecto macroclimático denominado el ENSO, fenómeno Niño y Niña.

El fenómeno de El Niño se presenta cuando las aguas superficiales del Océano Pacífico Tropical sufren un calentamiento anómalo, asociado a un debilitamiento de los vientos alisios y, con el desplazamiento del centro de convección del Este al centro de la cuenca Pacífica (Poveda, 1998), produciendo un debilitamiento de la surgencia oceánica en la costa Este de la cuenca Pacífica y la consecuente profundización de la termoclina.

El de La Niña, por el contrario, está caracterizado por una disminución inusual de las temperaturas superficiales del Océano Pacífico Ecuatorial (fase fría). En Colombia, el ENSO en su fase de La Niña ocasiona un aumento en las lluvias en gran parte del territorio, y El Niño, las sequías.

Pero este fenómeno, muy de moda en los últimos años, no es un evento nuevo. La NOAA (National Oceanic Atmospheric Administration) reporta datos de estas anomalías desde 1950. Si bien, estos fenómenos ocasionan inundaciones en parte del suelo colombiano, veremos en este documento que el inadecuado manejo del drenaje urbano, debido a los cambios en los usos del suelo, puede producir graves consecuencias, inundaciones y contaminación de recursos hídricos con graves impactos ambientales, sociales y económicos.

Para simular este tipo de cambios en el uso del suelo y sus consecuencias, existen diferentes métodos como el de las Abstracciones del S.C.S (Soil Conservation Service) basado en el número de curva, el del Índice ɸ (U.S. Army Corps of Engineers, 2001; Chow V.T., 1994), el de Green – Ampt (1991) y el SMA (Soil Moisture Accounting Loss Method), entre otros.

El de Abstracciones fue desarrollado por el Servicio de Conservación de Suelos de Estados Unidos (SCS) y relaciona la lluvia y la retención en el suelo con la lluvia efectiva o escorrentía directa. El SCS definió un número adimensional llamado número de curva CN, que indica el grado de impermeabilidad de una superficie. Este valor depende del tipo y el uso de suelo y de las condiciones de humedad antecedente. Por otro lado, el método del Índice ɸ utiliza la pérdida inicial y una tasa constante de pérdidas en la cuenca, luego de que ha sucedido la lluvia. Es un método utilizado en cuencas instrumentadas donde se tienen registros simultáneos de precipitación y caudal. Se recomienda utilizar el método del SCS, pues considera los usos del suelo y las condiciones antecedentes de la humedad en la zona de estudio.

AplicaciónEn este trabajo se realizó una simulación para estimar los caudales máximos instantáneos, para una lluvia de período de retorno de 10 años, de una cuenca urbana de 9.1 km2 que ha estado sometida a actividad urbanística en los últimos años. Los usos del suelo en varios periodos de tiempo se muestran a continuación:

22

Dosier: saneamiento

Para cada uno de estos casos de usos del suelo, se tiene para el año I un CN 74.7, para el año II 77.3 y para el año III 80.1. En la siguiente figura se presentan las tres hidrógrafas resultantes, en donde se puede evidenciar el aumento de los caudales picos en el año III y la disminución del tiempo al pico.

23

2. Hidráulica del drenaje urbano

Se presentan los elementos básicos del diseño moderno del drenaje urbano, a partir de las ecuaciones físicamente basadas y el tránsito hidráulico como herramientas para conocer la hidráulica de los sistemas de alcantarillado, distribuidos básicamente en tres grupos: Hidráulica de tuberías bajo flujo uniforme, Hidráulica de tuberías bajo flujo no permanente y Tránsito hidráulico mediante el modelo de onda cinemática como el caso más típico de modelación en las redes.

2.1 Tuberías parcialmente llenas bajo flujo uniforme

2.1.1 Tipos de flujo para el diseño

Las tuberías de alcantarillado deben diseñarse como conducciones a flujo libre por gravedad. En general, el flujo de aguas residuales o aguas lluvias a través de una red de alcantarillado, utilizada para su recolección y transporte no es permanente. Sin embargo, el diseño hidráulico de una tubería fluyendo parcialmente llena se hace bajo la suposición de que en esta existe flujo uniforme.

Para tuberías con diámetros nominales inferiores a 1.300 mm, el diseño debe verificarse bajo la condición de flujo gradualmente variado. Esto también se aplica para los canales y otros conductos que formen parte del sistema de recolección y transporte de aguas residuales y/o lluvias. Para tuberías con diámetros nominales iguales o superiores a 1.300 mm, el diseño se debe verificar bajo la condición de flujo no permanente, teniendo en cuenta la tubería diseñada y las demás tuberías interconectadas a ese sistema. En todo caso, cuando la velocidad en una tubería de alcantarillado sea superior a 4 m/s se debe hacer un análisis del comportamiento hidráulico detallado del tramo, en particular de las estructuras de disipación de energía y las cámaras de inspección o de caída que existan en los extremos.

2.1.2 Ecuación de resistencia fluida

Para el dimensionamiento de la sección transversal de una tubería fluyendo parcialmente llena, bajo la condición de flujo uniforme, se debe utilizar la ecuación de Darcy-Weisbach en conjunto con la ecuación de Colebrook-White. La primera es válida para todo el rango de flujo turbulento, desde el hidráulicamente liso hasta el hidráulicamente rugoso. A continuación se muestra la ecuación de Darcy-Weisbach.

Donde, hf = Pérdidas por fricción (m). f = Factor de fricción de Darcy (adimensional). L= Longitud de la tubería (m). v=Velocidad del flujo (m/s). d= Diámetro interno real de la tubería (m). g= Aceleración de la gravedad (m/s2).

Para el cálculo del factor de fricción de Darcy, se debe utilizar la ecuación de Colebrook White y se presenta a continuación:

Donde, hf = Rugosidad absoluta (m). Re= Número de Reynolds (adimensional).

Es posible establecer la siguiente ecuación que relaciona la velocidad del agua por la tubería, bajo condición de flujo uniforme como función de la rugosidad absoluta de la tubería, del radio hidráulico de la sección transversal, de la viscosidad cinemática del agua y de la pendiente de la tubería. Ahora, multiplicando por el área se obtiene una ecuación explícita para el caudal:

Q= Caudal del flujo (m3/s). R= Radio hidráulico (m). A= Área mojada transversal (m2). S= Pendiente longitudinal de la tubería (m/m). v= Viscosidad cinemática (m2/s).

2.2 Flujo gradualmente variado

El flujo unidimensional normalmente se describe por dos variables (Q y h), las cuales son dependientes del espacio y el tiempo (x, t). Dependiendo de la naturaleza del problema se puede describir con otro par de variables como V y h, lo que conlleva a pensar que estos sistemas son modelados con dos variables dependientes y por lo tanto se requieren dos ecuaciones para representar el fenómeno en una dimensión.

Generalmente se usa el principio de conservación de energía para el tránsito en régimen permanente, definido a partir de la siguiente ecuación:

Donde, z= es la elevación del fondo del canal. d= es la profundidad de flujo medida en dirección perpendicular a la superficie libre. dcosɵ= y= es la profundidad de flujo. α= es el factor de corrección de energía cinética.

Si la ecuación anterior se deriva respecto al eje x, asumiendo un canal de baja pendiente α=1 y cosθ =1, la ecuación anterior se reduce a:

hf = f L V2

d 2g

1f

=-2log10

ks3.7d

+ 2,51Re f

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

Q = − 2 8gRS A log10Ks

14.8R+ 2.51v4R 8gRS

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

H = z + d cosθ +α V2

2g

dydx

=S 0 − S f1+ Fr

2

24

Dosier: saneamiento

Donde Fr es el número de Froude; esta ecuación se resuelve a través de diferentes técnicas numéricas, siendo una de las más conocidas el método estándar por pasos (Chow, 1959).

2.3 Tuberías parcialmente llenas bajo flujo no permanente

Los modelos de tránsito distribuido de crecientes pueden utilizarse para describir la transformación de lluvia en escorrentía en un sistema de alcantarillado para producir el hidrograma de flujo a la salida, y luego tomar este hidrograma como la información de entrada a la planta de tratamiento, canal de desagüe o cauce de un río.

El tránsito hidráulico de crecientes se basa en la solución de la ecuación de continuidad, acompañada por la ecuación de conservación de momentum lineal. Se deben tener en cuenta todas las fuerzas que actúan en la frontera del volumen de control; esto hace que el tránsito hidráulico sea más exacto que el hidrológico. En los métodos de tránsito no permanente se utilizan las ecuaciones de conservación de masa y de conservación de cantidad de movimiento, para calcular las características en el desplazamiento de la onda. Este par de ecuaciones conforman las ecuaciones de Saint-Venant y a pesar de que son muchas las restricciones de aplicabilidad, es fácil encontrar canales y sistemas de alcantarillado, para los cuales estas ecuaciones producen resultados con alto grado de aproximación.

2.3.1 Tipos de tránsito hidráulico

Las ecuaciones de Saint–Venant tienen varias formas simplificadas, cada una de las cuales define un modelo de tránsito distribuido unidimensional. Aunque las fuerzas expresadas en la ecuación de momentum siempre están presentes en cualquier problema de hidrodinámica, puede darse el caso de que no todas sean relevantes. Esto hace que se puedan tener varios tipos de tránsito hidráulico de crecientes:

2.3.2 Modelo de onda cinemática

Por ser este modelo el más utilizado en el tránsito hidráulico en redes, desprecia las aceleraciones locales y convectivas (el flujo no se acelera) y las fuerzas de presión.En este caso la ecuación de Saint-Venant de conservación de momentum se reduce a:

Lo anterior implica que el flujo puede ser tratado como “uniforme no permanente”. Esto significa que no hay efectos transientes de curvas de remanso. En este caso existe un balance entre el efecto de la aceleración debido a la gravedad y el efecto de retraso de las fuerzas de fricción.

La celeridad de onda es la velocidad con la cual se mueve el frente de onda con respecto a los bordes del conducto. En el caso de la onda cinemática los términos de aceleración y de presión son muy pequeños comparados con los gravitacionales y los de fricción; esto significa que el movimiento de la onda está descrito más por la ecuación de continuidad que por la de momentum.

2.3.2.1 Esquema numérico

Las ecuaciones de Saint-Venant para la onda cinemática son dos ecuaciones diferenciales parciales, una de continuidad y otra de momentum. La solución de las ecuaciones requiere de métodos como, por ejemplo, el de las características y el de los métodos numéricos directos. Estos últimos convierten las ecuaciones diferenciales en ecuaciones de diferencias finitas para la conservación de la masa y del momentum lineal, las cuales pueden ser lineales o no lineales.

Los cálculos de las variables desconocidas se hacen simultáneamente en función del espacio y del tiempo. En el caso de tránsito hidráulico de crecientes las variables desconocidas son: Q y A.

Si se tiene una función f(x) continua en un intervalo (a, b), el valor de f(x+Δx) puede ser calculado utilizando el valor de f(x), que se supone conocido, y las derivadas de la función f en el punto x conocido, utilizando series de Taylor y resolviendo para f'(x), se obtiene:

Esta ecuación puede ser utilizada para solucionar la ecuación diferencial parcial, en donde la derivada es función de los valores conocidos de la función inicial.

1A∂Q∂t

−gS 0+g ∂ y∂x

+ 1A

∂∂x

Q 2

A⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

+gS f = 0

Onda cinemáticaOnda de difusión

Onda dinámica cuasi-permanenteOnda dinámica

So = S f

gA −So + S f( ) = 0

f '( x ) = f ( x )− f ( x − Δx )Δx

25

2.3.2.2 Solución por diferencias finitas

El esquema de diferencias finitas debe solucionar las ecuaciones de Saint–Venant. La variable dependiente únicamente es Q. La ecuación de continuidad, por ser una ecuación diferencial parcial, se puede aplicar al método de las diferencias finitas, con el fin de conocer Q para cualquier lugar x del conducto en cualquier instante de tiempo.

La otra variable dependiente (y o A) se calcula utilizando Q(x, t) y una ecuación de resistencia fluida, tal como la ecuación de Gauckler Manning. Luego de un sencillo procedimiento matemático se llega a:

Qi +1j =

ΔtΔxQi

j + abQi +1j −1 Qi +1

j −1 +Qij

2⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

b−1

+ Δt qi +1j + qi +1

j −1

2⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

ΔtΔx

+ ab Qi +1j −1 +Qi

j

2⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

b−1

Δt = ΔxCoc

Donde los valores a y b dependen de la geometría del conducto, y los términos de Δx y Δt deben estar relacionados mediante la condición de Courant:

Como un caso de aplicación de esta metodología, se desea conocer el tránsito hidráulico de una hidrógrafa con caudal pico de 0.08 m3/s, que ingresa a un sistema de colectores de 2 km, en donde se obtienen las siguientes hidrógrafas en distintos Δx

26

Dosier: saneamiento

3. Introducción a la modelación de la calidad del agua

Se describen los aspectos fundamentales de la modelación de la calidad del agua desde la perspectiva del oxígeno disuelto, con el fin de conocer cómo una descarga o vertimiento impacta ambientalmente el cuerpo receptor, que puede ser un colector, un canal o una corriente natural. Se plantea la forma más simple de modelar el oxígeno disuelto mediante la ecuación de Streeter & Phelps.

3.1 Streeter & Phelps: descargas puntuales

El modelo de Streeter & Phelps agrupa los dos principales mecanismos que gobiernan el oxígeno disuelto en una corriente recibiendo aguas residuales: la descomposición de la materia orgánica y la reaireación del oxígeno, como tal, proporcionan un marco analítico para predecir el efecto de diferentes tipos de descargas en el oxígeno disuelto.

3.1.1 Déficit de oxígeno disuelto

El balance de masas para la demanda bioquímica de oxígeno DBO y el oxígeno disuelto puede ser descrito como:

Donde, L= carga de materia orgánica expresada como DBO. D= déficit de Oxígeno disuelto. kd,ka= constantes de descomposición de la materia orgánica y reaireación respectivamente.

3.1.2 Ecuación de Streeter & Phelps con una descarga puntual

Se puede modelar una corriente con una sola descarga puntual de DBO. La corriente se modela en estado permanente y es caracterizada por un flujo pistón con hidrológica y geometría constante. Este es el modelo más simple de Streeter & Phelps. Resolviendo se obtiene:

Esta ecuación difiere de las anteriores en que solo una parte de la remoción tiene un efecto en el déficit y que el déficit tiene un valor inicial.

3.1.3 Balance del déficit en un punto de descarga

El déficit de oxígeno se sugiere para simplificar el modelo matemático. Al determinar la concentración de frontera se puede incurrir en errores dado que las descargas que entran al sistema tienen temperaturas diferentes, por lo que el oxígeno de saturación cambia.

Esto puede ocurrir en sistemas en donde el oxígeno de saturación cambia longitudinalmente debido a la temperatura, la elevación o la variación de la salinidad; para esto, en los puntos de descarga se deben tener presentes los siguientes balances de masas:

Donde, Td,Qd, temperatura y caudal aguas abajo. Tu,Qu, aguas arriba. Ti,Qi, descarga.

El balance de masas para el oxígeno se puede describir también así:

Donde, Od,Qd, Oxígeno y caudal aguas abajo. Qu,Qu, aguas arriba. Qi,Qi, de la descarga.

3.1.4 Múltiples descargas puntuales

En general, se discretiza la corriente o el río en varios segmentos, cada uno de estos vinculados a unas condiciones de frontera. La modelación se inicia aguas arriba, en donde las concentraciones iniciales se conocen. Las ecuaciones anteriores se utilizan para calcular la concentración en dirección al flujo, aguas abajo.

La información calculada en el primer segmento se convierte en la condición inicial para el siguiente segmento y así sucesivamente. Existen dos tipos de condiciones de frontera. La primera, representa la hidráulica de la corriente. Está dada cuando los parámetros cambian debido al cambio de la pendiente del fondo del canal y a la geometría de la sección, los cuales modifican la velocidad, la profundidad y la tasa de reaireación; en muchas casos, la concentración del segmento aguas arriba es la misma para el segmento aguas abajo. La segunda ocurre cuando hay una descarga, por lo que se debe entonces calcular el balance de masas para establecer la concentración inicial del segmento.

L = L0e−kd t

D =kd L0ka − kd

e −kd t − e −ka t( )

L = L0e−krUx

D = D0e−kaUx+kd L0ka − kr

e−krUx− e

−kaUx⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

Td =TuQu +TiQi

Qd

Od =OuQu +OiQi

Qd

27

3.2 Streeter & phelps: descarga distribuida

Ahora se plantea la solución matemática para descargas distribuidas o difusas. Pueden ser de dos tipos: la que no contribuye con flujo y la que sí lo hace.

3.2.1 Descargas sin flujo

Este tipo de descargas no aporta cantidad de agua al sistema y es utilizada principalmente para caracterizar el oxígeno. Se describe primero como puede ser aplicada para la DBO.

3.2.1.1 DBO

Un ejemplo puede ser la contaminación del sedimento de fondo que contiene una alta concentración de materia orgánica disuelta en sus poros. Para estos casos, el balance de masas se puede resolver,

Donde, Sl= es la tasa de DBO distribuida (ML-3T-1). Kr= es la tasa de remoción de la DBO.

Por lo tanto, la DBO se incrementa y luego se aproxima asintóticamente a un estado estacionario Ḹ, donde la ganancia de la DBO se balancea con la remoción. El balance de masas para el déficit de oxígeno se puede escribir como EMBED Equation.3

3.2.1.2 Oxígeno disuelto, OD

Las fuentes de OD han sido empleadas comúnmente como cargas distribuidas, y se utilizan para simular el efecto de las plantas y de la demanda de oxígeno de los sedimentos. El balance de masas se puede describir así:

Donde, P y R = es la tasa volumétrica de la fotosístensis de las plantas y la respiración respectivamente. S'B= demanda de oxígeno de los sedimentos por unidad de área. H= profundidad.

3.2.1.3 Modelo total de Streeter & Phelps

Se han analizado por separado dos tipos de descarga, puntual y no puntual. Ahora se pueden combinar para obtener un modelo más completo. Para un tramo de corriente con un punto de descarga aguas arriba y una descarga distribuida a lo largo de la longitud, los resultados de la ecuación para la DBO y el déficit de oxígeno serán:

3.2.2 Solución numérica

La aproximación analítica estudiada anteriormente tiene aplicabilidad limitada, por lo tanto se utiliza un método numérico para la solución de estas ecuaciones. La siguiente descripción es similar a la aproximación que se utiliza en el modelo QUAL2E, y está basada en dividir la corriente en varios tramos con igual hidráulica, y estos a su vez son divididos en segmentos de igual longitud.

Igualmente, se supone que el aumento del caudal se ajusta a una función lineal. Entonces, el caudal total al final del tramo es dividido por el número de segmentos en donde la descarga es distribuida. Los cálculos se realizan elemento por elemento y se inicia por el elemento que esté más aguas arriba. Una vez se calcula el caudal y el volumen, el balance de masas para la DBO y el oxígeno puede ser desarrollado utilizando diferencias hacia atrás, así:

Este tipo de solución numérica muestra una dispersión numérica En que es aproximadamente igual a En=(Δx/2)U.De aquí se tiene que el tamaño del segmento no puede ser mayor a Δx(En)-U.

Todo lo anterior se puede ver de manera grafica en un caso de aplicación, en donde se desea conocer el comportamiento del oxígeno disuelto de un río que tiene una descarga de aguas residuales en el km 100 y la descarga de un tributario en el km 60.

L =S Lkr1− e −kr t( )

D =kd S Lkr ka

1− e −ka t( )− kd S Lkr ka − kr( ) e

−kr t − e −ka t( )

L = L0e−kr t +

S Lkr1− e −kr t( )

D = D0e−kr t +

kd L0ka − kr

e −kr t − e −ka t( )+ −P + R + S 'B Hka

1− e −ka t( )+ kd S Lkr ka1− e −ka t( )− kd S L

kr ka − kr( ) e−kr t − e −ka t( )

Li =Qi −1Li −1 +QeLd ,iQi + kr ,iVi

Oi =Qi −1Oi −1 +QeOd ,i − kd ,iVi Li + ka ,iViOi + Pi − Ri −

S 'b ,iH i

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

Qi + ka ,iVi

28

Dosier: saneamiento

29

Tal como se mencionó anteriormente, resolviendo para el estado dinámico, como son todos los sistemas, se observan en la primera figura unas condiciones de OD relativamente aceptables teniendo en cuenta que esta hace parte de las horas de la noche en donde no hay mucha descarga orgánica; la segunda figura obedece a un pico de la curva de descargas orgánicas y, por lo tanto, en un tramo del río se presentan condiciones anóxicas. En la tercera figura y de acuerdo a las características de la corriente, el río tiene buena respuesta y se recupera rápidamente a medida que la descarga de materia orgánica disminuye.

4. Control en tiempo real, RTC

La mayoría de sistemas de drenaje urbano, SUD, se operan de un modo esencialmente estático o pasivo, es decir, los elementos que componen el SUD operan de una única forma.

Los sistemas se diseñan de una manera convencional para manejar los caudales producidos por tormentas de altos períodos de retorno y, por lo tanto, las redes tienen grandes volúmenes de almacenamiento. Para la mayoría de eventos de lluvia, este almacenamiento no se utiliza plenamente, así que el disponible se puede aprovechar mediante una adecuada gestión, con el fin de buscar una óptima interacción entre las entradas y las salidas del sistema.

Butler (2004) considera que un sistema de drenaje urbano es operado bajo RTC, cuando los datos recolectados y procesados en el sistema son utilizados para operar los reguladores de flujo durante el proceso. Por lo tanto, la información (niveles, caudales, concentraciones) es continuamente recogida y procesada y se utiliza para tomar decisiones sobre el funcionamiento de los principales elementos del sistema (presas, bombas, planta de tratamiento), en tiempo real. para limitar la ocurrencia de efectos adversos.

Existen tres motivaciones para implementar el control en tiempo real en los sistemas de drenaje urbano: 1. El avance en las tecnologías de medición, 2. El nuevo objetivo enfocado a la evaluación de la calidad de agua así como lo propone el concepto de Control Integral unificando la red, la planta de tratamiento de aguas residuales y el cuerpo de agua receptor, y 3. El progreso en metodologías y herramientas de control.

4.1 Estrategia de control

También existe el desarrollo de estrategias basadas en técnicas de optimización matemática, cuyo objetivo operativo se traduce en minimizar una función objetivo para ciertas restricciones. De esta forma se

obtiene la solución óptima y por lo tanto se busca el mejor rendimiento del sistema. Un ejemplo simple puede ser el de minimizar el volumen de descargas de los aliviaderos en un tiempo

La mayoría de los programas de modelación de drenaje urbano permiten incorporar estrategias de control, pero con diversos grados de sofisticación, permitiendo la comparación de las soluciones estáticas o convencionales y varias opciones de RTC. El modelo que se obtiene debe estar sujeto a la calibración y a la verificación.

4.2 Beneficios y desventajas

Los sistemas RTC tienen las siguientes ventajas (Butler, 2004):

Reducción en el riesgo de inundaciones mediante la /utilización del almacenamiento en el sistema.

Reducción de la contaminación por descargas o derrames debido a un mayor tiempo de residencia hidráulica en el sistema.

Reducción de los costos de capital por minimizar el almacenamiento y los requerimientos de carga hidráulica en los sistemas.

Reducción de los costos de operación por optimización de bombeos y costos de mantenimiento.

Mejora del rendimiento en las PTAR, generando un equilibrio de las cargas de entrada y permitiendo a la planta operar más cerca de su capacidad de diseño.

Otros beneficios indirectos incluyen la flexibilidad para responder a cambios en la cuenca o a fallas locales en el sistema y un mejor entendimiento del funcionamiento de la red. También se disminuye fuertemente la contaminación a través de los aliviaderos hacia los cuerpos receptores, mitigando así los impactos ambientales. Entre otros beneficios, para algunos sistemas están los menores costos de energía por la óptima operación de los bombeos, control de sedimentos en las redes, tratamiento de aguas residuales con mejores eficiencias y un mejor entendimiento y mantenimiento del sistema a través de los datos históricos recogidos por el sistema.

Las desventajas son relativamente pocas. La renuncia a implementar los sistemas con un RTC está basada principalmente en la falta de experiencia operativa. También existe preocupación con relación a la tecnología de los sistemas y su mantenimiento y, en general, el desconocimiento de los pocos sistemas existentes en el mundo que son controlados.

i = ti hasta t f , Vii =ti

t f

∑ → min

30

Dosier: saneamiento

4.3 Almacenamiento temporal

De acuerdo con lo anterior, el principal elemento de un sistema RTC es el almacenamiento temporal, el cual tiene como funciones el de limitar los casos de inundaciones y reducir la cantidad de agua lluvia altamente contaminada o “primer lavado”, entregada a un cuerpo receptor. De esta manera, se retienen los contaminantes en el sistema en lugar de enviarlos al cuerpo receptor, aún después de que el vertedero de la estructura ha entrado en operación durante un evento de lluvia.

El diseño de los tanques se basa en la operación del mismo para que este opere a un flujo determinado, el cual en este caso es controlado a la entrada. El flujo retorna al sistema, ya sea por gravedad o bombeo. Esto depende de la configuración del sistema y de la pendiente del terreno. El flujo pasa a través del tanque sin ningún tipo de impedimento hasta que el flujo de entrada excede la capacidad de la salida. El exceso de flujo se almacena en el tanque creando un aumento de nivel.

4.3.1 Nivel de almacenamiento

El cálculo de la relación entre el flujo de entrada y salida (cambio de volumen en el tiempo) se puede dar como la diferencia entre ellos dS - dt = I-0, También se puede transformar la tasa del almacenamiento en función de una altura dS - dt = AdH - dt. En muchos casos, la relación entre la altura y el área de almacenamiento es de la forma A=αHß.

Cuando el flujo de salida sea regulado por un orificio se tiene que:

Esta ecuación se resuelve utilizando algún método iterativo. Mediante las aproximaciones de Euler se resuelve así: H(t+Δt) = H(t)+Δt.f(H,t).

5. Conclusiones y recomendaciones

La parte inicial de este documento presenta la influencia de diferentes fenómenos macroclimáticos sobre el comportamiento temporal de la lluvia en Colombia. El comportamiento de la lluvia debe ser bien conocido para una óptima operación de los sistemas de drenaje urbano.

Para la estimación de caudales máximos para diferentes períodos de retorno, en nuestro medio se utilizan ampliamente los métodos como el racional, regionalización de características medias e hidrógrafas unitarias de Snyder, William y Hann, y S.C.S., siendo este último el único método basado en cuencas urbanas y, por lo tanto, considera las pérdidas hidrológicas. Este método se recomienda para el estudio de las cuencas del drenaje urbano en donde se deben tener en cuenta las restricciones y limitaciones del método.

En el método no lineal de la onda cinemática, durante el tránsito por diferencias finitas, se genera una atenuación numérica del pico de la hidrógrafa, debida a efectos numéricos por la pérdida de masa. En el caso de la aplicación de las características se generan múltiples soluciones, ya que la intercepción de estas causa discontinuidad en el flujo. Las funciones potenciales que relacionan los parámetros hidráulicos han permitido incluir la no linealidad asociada a cambios en la geometría para todos los modelos de la onda cinemática, con errores menores al 1%.

La modelación numérica se convierte en una buena herramienta para la evaluación de los impactos ambientales de derrames o descargas de sustancias conservativas y no conservativas o sustancias contaminantes en los cuerpos receptores. El modelo de Streeter & Phelps es un muy buen modelo para conocer el comportamiento del oxígeno disuelto como uno de los principales indicadores de la calidad del agua y del déficit de oxígeno para determinar el control de los niveles de contaminación.

La expansión de los centros urbanos, impermeabilización de suelos y disminución de cobertura vegetal (aumento de picos y mayor producción de sedimentos), alteran fuertemente el ciclo hidrológico natural. De aquí la necesidad de la gestión de las aguas lluvias desde una perspectiva que agrupe los aspectos hidrológicos, ambientales y sociales, dando así una tendencia mundial a los sistemas urbanos de drenaje sostenibles (SUDS).

La principal herramienta de los SUDS son los sistemas con control en tiempo real, los cuales pueden ayudar a disminuir la cantidad y la calidad del agua de escorrentía, maximizando la integración paisajística, el valor social y la acción ambiental.

dHdt

=I −Cd AO 2gH

A= f ( H ,t )

31

El almacenamiento temporal es el principal elemento de los sistemas controlados en tiempo real. Con él se pueden controlar inundaciones y se puede almacenar el agua lluvia, y además el primer lavado de la lluvia. El agua lluvia puede ser vertida al cuerpo receptor de una manera regulada por un alivio y el agua del primer lavado de la lluvia, altamente contaminado, puede ser tratada en la planta de tratamiento de agua. Esto es posible con un sistema controlado.

Uno de los principales beneficios de un sistema con CTR es el ahorro en la operación y mantenimiento, aunque en Colombia no hay evidencia, pues ningún sistema es controlado; de ahí la necesidad de seguir conociendo e investigando estos sistemas, que incluyen varias áreas del conocimiento como: hidráulica, mecánica, ambiental, eléctrica, electrónica, entre otras disciplinas, y las experiencias a nivel mundial.

Bibliografía

Butler D., Davies J., Urban Drainage. 2nd edition. Spon press. London, 2004.

Chapra, S.C. Surface Water-Quality Modelling. University of Colorado, McGraw-Hill series in Water Resources and Environmental Engineering, New York, USA. 1997.

Chow, V. Hidrología Aplicada. McGraw Hill, 1994. 584p.

Chow; V. T. Open-channel hydraulics. Mc Graw Hill Book Company. New York. 1959. P 633.

EPM. Anuario Hidrometeorológico 2005. Departamento de Hidrometría e Instrumentación, Empresas Públicas de Medellín. Vol. 1.

EPM. Normas de Diseño de Sistemas de Alcantarillado de EPM, Medellín 2009.

Smith y Vélez. Hidrología de Antioquia. Posgrado en Aprovechamiento de Recursos Hidráulicos, Medellín, 1997. 200 p.

Vélez J., Poveda G. y Mesa O. Balances Hidrológicos de Colombia. Universidad Nacional de Colombia – Colciencias - UPME. Ed Todográficas Ltda. 1a Ed. Medellín, 2000.

32

Dosier: saneamiento

San Fernando

Andrea del Pilar González GonzálezÁrea Recolección Aguas Residuales EPMandrea.gonzalez@epm.com.co

Modelación y simulaciónde la planta de tratamiento de aguas residuales

con el software GPS-X versión 5.0

Palabras claveSimuladores de procesos, software GPS-X, planta de tratamiento de aguas residuales San Fernando

Planta de tratamiento de aguas residuales San Fernando.

33

ResumenEn este artículo se expone un ejercicio de simulación en estado estable (no se presentan variaciones de los parámetros en el tiempo) de la línea líquida de la planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) San Fernando, realizado con el software GPS-X (General Purpose Simulator) versión 5.0, para lo cual se utilizaron los datos de diseño.

Este estudio permitió, en primer lugar, conocer el funcionamiento de esta herramienta de modelación y simulación, y en segundo lugar, evaluar la potencialidad del software en cuanto a

la validación de diseños de plantas de tratamiento de agua residual, con base en los valores esperados de DBO (demanda biológica de oxígeno), SST (sólidos suspendidos totales) y caudales, entre otros, establecidos en el manual de diseño por el consorcio diseñador Greeley and Hansen y Compañía Colombiana de Consultores.

Generalidades

La simulación es un proceso de imitación de un fenómeno real llamado sistema (conjunto de elementos organizados e interrelacionados entre sí, para lograr un objetivo. Tiene entradas -datos- y salidas -información-), a través de expresiones matemáticas (modelos) que pueden traducirse a un lenguaje de programación.

El modelo es una representación simplificada de un sistema real, complejo, y el cual puede ser físico o material, como por ejemplo una maqueta, o matemático como la representación de fenómenos a través de ecuaciones matemáticas1.

La simulación es importante porque2 :

Ayuda al entendimiento de las causas y los efectos de las relaciones que se dan en un sistema real.

Postula un número de hipótesis relacionadas con los datos.

Permite verificar hipótesis y sacar conclusiones.

Simplifica el problema para ayudar a hacer un análisis manejable.

Entre los diferentes tipos de simuladores se encuentran los especializados en plantas de tratamiento de agua residual, específicamente para plantas de lodos activados. 1 HYDROMANTIS. GPS-X, versión 5.0 technical reference. [CD-ROO]. 2006.

2 Ibidem. P. 17m3 MELCER, Henryk. et al. Methods for wastewater characterization in active sludge modeling. Estados Unidos: Water Enviroment Research Foundation (WERF), 2003. Págs 3-1 - 3-3

Simuladores en plantas de lodos activados3 un simulador para las PTAR, (plantas de tratamiento de aguas residuales) es un programa de computador que permite al usuario conectar varias unidades de proceso, como es el caso de los biorreactores y sedimentadores, con base en el esquema de la planta de tratamiento, para reproducir su comportamiento de acuerdo con las características del agua residual de entrada que se haya ingresado al simulador.

Este tipo de simuladores también incorpora modelos que describen otras unidades de proceso tales como: precipitación química, digestores anaeróbicos y demás procesos para el manejo de lodos. Cada unidad de proceso contiene uno o más modelos matemáticos que describen su comportamiento, siendo el modelo de los reactores biológicos usualmente el más complejo.

Los simuladores presentan numerosos beneficios en la operación de los sistemas de tratamiento de agua, porque permiten validar diseños, optimizar procesos, determinar la capacidad límite de los mismos, soportar decisiones y entrenar al personal operativo sin necesidad de experimentar en tiempo real en la planta.

34

Dosier: saneamiento

Todos los simuladores para las PTAR fueron desarrollados en la década del 90 y construidos sobre el desarrollo del ASM1 (Modelo de lodo activado N°1) en el decenio de los 80. En la tabla 1, se presentan los simuladores más importantes de lodos activados disponibles en el mundo.

En este contexto, en 1982 la International Association on Water Quality (IAWQ), actualmente, International Water Association (IWA), estimuló la formación de un grupo de estudio internacional encargado de revisar la modelación de los sistemas de lodos activados y este fue el “Task Group on Mathematical Modelling for Design and Operation of Activated Sludge Process”, cuyo resultado fue el modelo ASM1 que describe la remoción de la materia orgánica y el nitrógeno en las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales10.

4 Disponible en: http//www.asim.eawagch/download/download.htm. (consultado 6 de dic. 2010)5 Disponible en: http//www.envirosim.com/gettingstartedML.pdf. (consultado 6 de dic. de 2010)6 Disponible en: http//www.hydromantis.com/GPS-X.html. (consultado 6 de dic. de 2010)7Disponible en: http//www.ifak-system.com/products/simulation-software/wastewatersimulation/simba-6.html (consultado 6 de dic. 2010)8 Disponible en: http//www.wrc plc.co.uk/pdf/STOATFlyer.pdf (consultado 6 de dic 2010)

Software GPS-X11

EL GPS-X es un programa de computador dirigido a las PTAR, diseñado para simular la calidad del efluente con base en las características del agua de entrada a la planta o afluente. El software cuenta con la herramienta “influent advisor”, una hoja de cálculo diseñada para ayudar a los usuarios a entender las características del afluente y así prevenir errores durante las simulaciones. En ella, se debe definir la librería (conjunto de modelos que representan, por medio de ecuaciones matemáticas, el comportamiento de los procesos de tratamiento del agua), el modelo biológico y el modelo del afluente, dependiendo del objetivo de la simulación y la información que se tenga disponible.

Fuente: Methods for wastewater characterization in activated sludge modeling. Water Environment Research Foundation. 2003.

9 Disponible en: http//www.wateronline.com/product.mvc/West-Version-300001 (consultado 6 de dic 2010)10 FALL, cheikh. Modelación matemática de plantas de tratamiento de lodos activados. En: Hidrored- Red de potabilización y depuración del agua. (En línea). Capítulo 22. Disponible en <http://tierra.reidiris.es/hidrored/ebooks/ripda/pdfs/capítulo_22.pdf>. [consultado 4 oct. 2010]11 HYDROMANTIS. Op. cit

Simulador

Año de introducción

en el mercado

Versión actual Sitio web

Hydromantis, Inc. Canadá 1991 6.06 www.hydromantis.com

SIMBAGmbH

Alemania1 994 6.07 www.ifak-system.com

STOAT WRc Group Reino Unido1 994 4.38 www.wrcplc.

co.uk

EAWAG (Swiss Federal Institute For

Enviromental Science & Technology)

ASIM Suiza1 998 4.0.3.14 www.eawag.

ch

EnviroSim Associates Limited

Canadá 1990 3.15 www.envirosim.com

Biowin

GPS-X

IFAK – System

UbicaciónDesarrolador

WEST Hemmis N.V. Bélgica1 998 3.09 w ww.hemmi

35

Fuente: Manual de operación y mantenimiento de la planta San Fernando, tomo 1. Greeley and Hansen y Compañía Colombiana de Consultores, 1999.

Planta de tratamiento de aguas residuales San Fernando.

36

Dosier: saneamiento

Metodología

La metodología se desarrolló en tres etapas:

1. Recolección de los datos de entrada

Se recolectaron los datos correspondientes al diseño de la planta, tanto físicos como operacionales, necesarios para alimentar los modelos de cada objeto o unidad de proceso.

2. Configuración del modelo y simulación de la línea líquida de la planta San FernandoPara la configuración del modelo de la línea líquida de la planta se escogieron los siguientes modelos y librería, de acuerdo con la información disponible desde el diseño y el objetivo de la simulación:

Librería: CN (carbono – nitrógeno)Modelo biológico: ASM1Modelo del afluente: BODbased

Se escogió el modelo biológico porque es uno de los más utilizados y representativos para simular la remoción de la materia orgánica, siendo este el objetivo de la planta en su diseño. De otra parte, se seleccionó el modelo basado en DBO para el afluente, porque desde su diseño la planta siempre la ha medido como parámetro para cuantificar de forma aproximada la cantidad de materia orgánica presente.

Para esquematizar el proceso de la línea líquida de la planta San Fernando en el GPS-X versión 5.0, se representó solo una estructura por cada proceso que la conforma, como se muestra en la figura 1.

Fuente: software GPS-X versión 5.0.

37

Para realizar la caracterización del agua residual afluente, se empleó el “influent advisor”, en la cual se ajustaron los parámetros que no se conocen para obtener así una caracterización que reproduzca el comportamiento de la planta contemplada en el diseño. De los datos que requiere el “influent advisor”, solo se tienen del diseño de San Fernando los correspondientes a: DBO, SST, nitrógeno total y la relación DBO/DQO (demanda biológica de oxígeno /demanda química de oxígeno).

Ingreso de los datos al software

En cada uno de los objetos o unidades de proceso esquematizadas a través del GPS-X y que se muestran en la figura 1, se despliegan diferentes opciones que fueron seleccionadas de acuerdo con los datos con los que cuenta la planta. Los que no se encontraron en el diseño fueron tomados por defecto, que son valores de referencia que trae el software para cada uno de los modelos escogidos (ver tabla 3).

De acuerdo con la unidad de proceso y modelo seleccionado se deben ingresar datos físicos, operacionales, cinéticos y estequiométricos. En este sentido, algunos parámetros fueron ajustados para lograr las características del agua residual efluente dadas por el diseñador.

12 TACAKS, I. PATRY, G y NOLASCO, D. A dynamic model of the clarification-thickening proces, water Research vol. 25 No. 10, 1991. pags. 1263-1271

Fuente: elaboración propia.

38

Dosier: saneamiento

3. Ejecución de la simulación y resultadosLa simulación es ejecutada en estado estacionario y las salidas se presentan en la figura 2.

Fuente: elaboración propia.

39

En la tabla 4, se presenta la comparación entre los datos de diseño y los datos obtenidos con el ejercicio de simulación.

En esta tabla se aprecia una aproximación entre los valores del diseño y los valores obtenidos producto de la simulación, por lo cual los datos de diseño son reproducibles a través del software.

Fuente: Elaboración propia a partir de datos arrojados del software GPS-X versión 5.0.

40

Dosier: saneamiento

ConclusionesCon la aplicación de la herramienta de modelación y simulación de plantas de tratamiento de agua residual, GPS-X, se obtuvieron conocimientos básicos acerca del funcionamiento del software.

Con la puesta en marcha del software se demostró su capacidad de predicción. Los datos simulados se aproximaron a los datos de diseño.

Como no se encontraron todos los datos requeridos para introducir al “influent advisor”, de manera que se hubiera logrado un mayor nivel de precisión entre los resultados simulados y los datos del diseño, se llevó a cabo el ajuste de algunos parámetros solicitados por el modelo simple 1d correspondiente al proceso de sedimentación, lo cual resultó ser conveniente para reproducir los datos de remoción de contaminantes (DBO y SST), tanto en el efluente primario como en el secundario.

Con este trabajo se validó el diseño de la línea líquida de la planta San Fernando, comprobando así la utilidad del software como herramienta de evaluación del diseño de una planta de tratamiento de agua residual.

41

RecomendacionesEs importante tener una caracterización completa del agua residual cruda, para obtener una mayor precisión entre los datos simulados y reales y, más aún, cuando se desee abordar un ejercicio de calibración y simulación dinámica.

Para continuar con la aplicación de esta herramienta, es indispensable seguir profundizando en el conocimiento del software y en los fundamentos de modelación, con el fin de conocer con certeza cuáles son las variables al interior de cada uno de los modelos que presentan los objetos o unidades de proceso en el GPS-X, y que se deben ajustar para obtener resultados reproducibles y confiables.

Debido a la complejidad, es necesario que su manejo se realice por personal que tenga conocimientos acerca de modelación, del software GPS-X y en tratamiento de aguas residuales.

En el proceso de simulación no es conveniente construir al mismo tiempo todo el esquema o modelo de la planta, porque con el gran número de variables se puede incurrir en incongruencias en los datos de salida. Por esta razón, es recomendable hacer la simulación por unidades de proceso (desarenadores, tanques de sedimentación primaria, tanques de aireación, etc.), las cuales se deben ir construyendo gradualmente, de tal manera que no se puede conectar la siguiente unidad sin asegurar congruencia en los resultados de salida de la unidad de proceso que se está evaluando.

BIbliografíaFall, Cheikh. Modelación matemática de plantas de tratamiento de lodos activados. En: Hidrored- Red de Potabilización y Depuración del Agua. (en línea). Capítulo 22. (Consultado 4 oct. 2010). Disponible en <http: //tierra. rediris.es/hidrored/ebooks/ripda/pdfs/Capitulo_22.pdf>

Greeley and Hansen y Compañía Colombiana de Consultores (CCC). Manual de operación y mantenimiento de la planta de tratamiento de aguas residuales San Fernando, tomos 1 y 2. Medellín, 1999.

Hydromantis. GPS-X versión 5.0Technical reference. [CD-ROOM]. 2006

Melcer, Henryk. et al. Methods for wastewater characterization in activated sludge modeling. Estados Unidos: Water Environment Research Foundation (WERF), 2003.

Tacaks, I; Patry, G. Y Nolasco, D. A dynamic model of the clarification-thickening process. : Water Research. Vol. 25 No. 10, 1991. Págs.1263-1271.

42

Dosier: saneamiento

Alfredo Antonio Ochoa MontoyaÁrea Recolección Aguas Residuales EPMalfredo.ochoa@epm.com.co

Aplicación de las metodologías de CCTV y los sistemas de información geográficos (SIG) en la rehabilitación sin zanja de

redes de alcantarillado

Palabras claveCámaras con circuito cerrado de televisión, tecnología sin zanja, redes de alcantarillado, SIG.

43

ResumenLa concentración de personas en pueblos y ciudades genera problemas que deben ser resueltos como la construcción de viviendas, vías, parques y espacios públicos. Pero la respuesta a la comunidad crea a su vez nuevas necesidades. Por ejemplo, para satisfacer la demanda de agua es necesario construir redes de alcantarillado que permitan evacuar las aguas utilizadas de las zonas habitadas.

Lo que inicialmente fue una solución que respondía a una necesidad se ha convertido hoy en una serie de infraestructuras complejas, críticas y cruciales para el bienestar de la sociedad. Cualquier tipo de falla que se presente sobre las redes de alcantarillado puede generar daños importantes que afectan de forma directa a la comunidad.

Durante las últimas décadas se han presentado avances significativos relacionados con las redes de alcantarillado en todo el mundo y EPM no es ajena a los mismos. Es así como se implementó la metodología

para el diagnóstico de redes de alcantarillado, mediante la utilización de cámaras con circuito cerrado de televisión (CCTV) y cuenta con un sistema georreferenciado de sus redes, con lo cual se abrió el horizonte para emplear la implementación de técnicas de rehabilitación de redes mediante tecnologías sin zanjas.

En el presente documento se analizan estas tres actividades: diagnóstico de redes con CCTV, sistemas de información geográfico (SIG) y nuevas tecnologías de rehabilitación sin zanja, planteando la posibilidad de su integración y, de este modo, abrir la gama de posibilidades para una actividad que genera un gran impacto ambiental y social, con una invitación a todos los profesionales e interesados en el tema para que sigan innovando e investigando.

1. Introducción

Durante las últimas décadas, en todo el mundo se han presentado avances significativos relacionados con las redes de alcantarillado. El diagnóstico e investigación de redes con cámaras con circuito cerrado de televisión (CCTV), el desarrollo permanente de técnicas de rehabilitación utilizando tecnologías sin zanja (conocida como tecnología trenchless), el apoyo de sistemas de computación que permiten la georreferenciación de las redes y aplicativos especializados para el diseño de las mismas, así como la aparición permanente de nuevos materiales y equipos, generan el interés en la investigación sobre el tema.

Actualmente las grandes y aún las pequeñas ciudades cuentan con miles de kilómetros de redes de todo tipo: alcantarillado, agua potable, gas, energía y telecomunicaciones, entre otras, ubicadas directamente debajo de la infraestructura urbana.

El diagnóstico de las redes realizado con CCTV, donde un alto porcentaje de las mismas ha cumplido con su vida útil, indica que se presentan serias dificultades para su mantenimiento por los esfuerzos a los cuales son sometidas, generándose un progresivo deterioro que implica que de forma prioritaria sean sometidas a un proceso de rehabilitación.

Las nuevas tecnologías de rehabilitación ampliamente probadas en diferentes regiones del mundo, comienzan a ser impulsadas en Colombia, en donde se han realizado trabajos importantes en ciudades como Bogotá y Cali. En Medellín, EPM empezó a adelantar los primeros trabajos con nuevas tecnologías como CIPP (tecnología de curado en sitio) y actualmente trabaja en la reposición de las redes del centro de la ciudad mediante la utilización de este tipo de tecnologías.

2. Metodologías para la clasificación de redes con CCTVEl diagnóstico de las redes con cámara con circuito cerrado de televisión (CCTV) es una actividad que se realiza con el fin de determinar el estado de las redes de alcantarillado. El proceso consiste en introducir a través de las cámaras de inspección de alcantarillado o pozos de visita, una cámara con circuito cerrado de televisión que evidencia en tiempo real los diferentes problemas que se presentan en la red, permitiendo observación del estado constructivo, operativo, hidráulico y estructural de la misma y estableciendo también el tipo de rehabilitación que se deba acometer: una reparación puntual, la renovación de la red o el reemplazo de la misma; de igual forma permite revisar el trabajo después de haber sido ejecutado.

44

Dosier: saneamiento

El sistema de diagnóstico con CCTV utiliza una cámara de televisión acoplada a un equipo de desplazamiento que opera sobre ruedas, orugas o un transportador para desplazarse a través de la red.

Las imágenes que genera el equipo son transmitidas y visualizadas en un monitor, generalmente ubicado sobre un vehículo estacionado en la vía, y permiten identificar el punto exacto donde se encuentra localizado un daño y mostrar la distancia a la cual se encuentra.

La información obtenida se almacena en diferentes formatos: DVD, memorias digitales o directamente en computadores, y se generan datos por medio de un software especializado de planos de la red donde se ubican cada uno de los puntos de interés dentro de la red, así como fotografías e informes.

En 2010, EPM implementó una metodología de codificación, calificación y clasificación de los diagnósticos realizados con cámara con circuito cerrado de televisión, denominada “Metodología para el diagnóstico y evaluación de redes de alcantarillado con CCTV”, de tal forma que permitiera, a partir del conocimiento de la cantidad y tipo de daños presentes en la red, evaluar el estado estructural y operativo de las mismas como método de soporte para la toma de decisiones y la planificación de programas de mantenimiento y de rehabilitación del sistema de alcantarillado.

Al finalizar cada inspección, el tramo de red se clasifica con base en los daños estructurales y operativos que se encuentran, de acuerdo con la metodología de codificación, calificación y clasificación, y se genera un informe donde aparecen la información de la tubería inspeccionada, las fotografías, un plano esquemático del tramo de red con la ubicación de los observaciones y el cuadro de la clasificación que indica el estado de la red. Una vez realizados los trabajos de rehabilitación, el tramo puede ser revisado y reclasificado para obtener la nueva condición del mismo.

45

*No se pudieron determinar por presencia de nubes en las aerofotografías

Observaciones con calificación y fotos

Convenciones

Contrato/contratista IPID tramo Despacho Tipo de red Material

EPMTV1006 9213246 Zona centro Residuales Concreto

Dirección Ciudad CuencaBarrio Plancha

CL. A. arriba Altura CL. A.abajoTipo Altura Tipo Longitud L. Inspec Diam

CL 54 x CRs 81 y 80

9213138

Presupuesto Tipo de solucitud Justificación

Solicitante Fecha de solicitud

Diagnóstico Recomendaciones

Prioridad Pedido Fenix Acta de pago

9213123

Recibo de redes

Guillermo Cardona G

Sección de la tubería no inspeccionada

2011/03/03 12:53:44 p.m. Alta

Solicitud de proyectos y urbanizaciones, equipos de redes o equipo demantenimiento para proyectos nuevos de urbanizaciones

45.6 46.0

Medellín La HuesoFerrini 180

Comentarios

No se encontraron defectos o los pocos defectos encontrados no son importantes y no comprometen la estabilidad estructural y/o operación del tramo.Los defectos encontrados presentan una mayor importancia, pero no comprometen la estabilidad estructural y/o operacinal del tramo inspeccionado a corto plazo.

Se recomienda realizar nueva inspección en un plazo de 7 a 10 años, para verificar el estado estructural y operacional del tramo

Se recomienda realizar las acciones de mantenimiento con el fin de corregir los daños encontrados y hacer nueva inspección en un plazo de 5 a 7 años para analizar el riesgo estructural y/o operacional.

Los defectos encontrados general problemas puntuales de tipo estructural y/o operacional, se deben tomar acciones correctivas o preventivas con el fin de minimizar la posibilidad de falla.

Se deben realizar acciones de mantenimiento que permitan corregir los defectos priorizándolos de acuerdo con la gravedad o calificación, se recomienda realizar nueva inspección en un plazo de 3 a 5 años para verificar con el resultado de las acciones realizadas que no se ha incrementado el riesgo estrucural y/o operacional.

Los defectos encontrados putuales o sectorizados son de gran importancia y comprometen el estado estructural y/o operacional del tramo inspeccionado.

Se deben de tomar medidas preventivas o correctivas realizando acciones de mantenimiento que impidan una generalización del daño, priorizando los defectos según la gravedad o calificación, programar nueva inspección en un plazo de 1 a 3 años para analizar el resultado de las acciones ejecutadas.

Presenta defectos de gran importancia en todo el tramo que estructuralmente y/o operativamente requieren de intervención inmediata

Realizar las acciones de mantenimiento estructural y/o operativo de carácter urgente para dejar en operación el tramo afectado, se debe analizar la posibilidad de una reposición o rehabilitación del tramo

Grado

1

0

2

3

4

5

Dirección de aguas

Figura 2. Formatos de reportes de la metodología para el diagnóstico de redes de alcantarillado con CCTV de EPM.

46

Dosier: saneamiento

Formula Categoría Valor Grado

Calificación

Fecha de cálculo 14/07/2010 04:46:59 p.m.

Suma ponderada media - segmento 1

42,96

21,68

7,43

57,92

3,51

5,48

10,24

0,28

5

5

4

5

2

3

3

1

Contrato/contratista

EPMTV1006

IPID del tramo Despacho

Zona centro Residuales Concreto

Tipo de red Material

9213248

Fecha limpieza Fecha inspección Operador

Hernando CarmonaRomán

Flujo Seco Concreto

Sentido Climatología Material

03/03/2011

9213138

9213123

At 0,0 mINI - Inicio de inspecciónCategory: Auxiliar

0,0 m

10,0 m

20,0 m

30,0 m

40,0 m

At 0,0 mINI - Inicio de inspecciónCategory: Auxiliar

At 0,0 m / 12INI - Alineamiento correctoCategory: Operación

At 12,3 m 10/ 10 ACB- Acometida en buen estadoCategory: Operación

At 2,2 m 10/ 10 ACB- Acometida en buen estadoCategory: Operación

At 23,9 m 10/ 10 ACB- Acometida en buen estadoCategory: Operación

At 30,4 m 9/ 9 ACB- Acometida en buen estadoCategory: Operación

Asse

t len

gth:

45.

6 m

Surv

eyed

leng

th: 4

6.0

m

At 46.0m OBG- observación generalCategory: Auxiliar

At 46.0m FII- Fin de inspecciónCategory: Auxiliar

Suma ponderada media del tramo

Suma ponderada media - estructurales del tramo

Suma ponderada media - opcionales del tramo

Suma ponderada media - segmento 2

Suma ponderada media -segmento 3

Suma ponderada media - segmento 4

Suma ponderada media - segmento 5

Figura 3. Formatos Clasificación y presentación de tramos de red de la metodología para el diagnóstico de redes de alcantarillado con CCTV de EPM.

47

3. Técnicas de rehabilitación de redes de alcantarillado

Los métodos tradicionales de excavación a cielo abierto para la instalación, rehabilitación o construcción de redes de alcantarillado, generan grandes molestias a la comunidad si no son tenidos en cuenta los costos sociales (orientados a la mitigación de los problemas generados por las obras en algunos aspectos básicos como movilidad y tráfico vehicular, seguridad en la obra y costos económicos para el comercio) y el impacto ambiental que se produce, lo que ha dado lugar a una demanda cada vez mayor del estudio, análisis y aplicación de los métodos de rehabilitación de redes utilizando la denominada tecnología sin zanja.

Figura 4. Adaptación de la norma europea.

48

Dosier: saneamiento

La rehabilitación de una red de alcantarillado corresponde a todas aquellas acciones tomadas con el fin de mejorar o restablecer el funcionamiento operativo y estructural de la red, ya se trate de una reparación, una renovación o un remplazo.

3.1 Técnicas de reparación

La reparación consiste en un procedimiento utilizado para dar solución a los problemas puntuales (localizados) que se presentan sobre la red. Pueden ser temporales hasta tanto se realice un proceso de rehabilitación completo o mientras se espera una solución a largo plazo. Corresponde la reparación a un programa de mantenimiento y se considera que no agrega vida útil al sistema.

Reparaciones a cielo abierto: es la forma tradicional de realizar reparaciones. Implica el rompimiento de vías, calles o zonas verdes, hacer las excavaciones necesarias hasta llegar a la red para evidenciar la problemática a resolver, la ejecución de la reparación correspondiente y nuevamente realizar los llenos y acabados. Presenta serias dificultades a la comunidad: ambientales, sociales y económicas, que pueden subsanarse utilizando un método de reparación con tecnología diferente. EscuchaLeer fonéticamente

Reparaciones externas con abrazaderas y acoples: consiste en una abrazadera externa a la red que se utiliza para la reparación de redes desde el exterior. Implica la realización de trabajos a cielo abierto para descubrir la red y repararla, como también el corte de la sección afectada y el reemplazo por una nueva sección y su conexión mediante acoples o abrazaderas.

Reparaciones externas de juntas: el trabajo es similar a la realización de reparaciones con abrazaderas externas. Requiere de excavación para descubrir la red y poder realizar el trabajo.

Reparaciones con sistemas robotizados: un robot es un dispositivo de control remoto con un circuito cerrado de televisión (CCTV) que se utiliza principalmente para realizar los trabajos de reparación localizados, tales como:

Reparación de fracturas (radiales o longitudinales) mediante procesos de inyección.

Retiro de obstáculos al flujo en la red, tales como raíces y material sedimentado.

Reapertura de conexiones de las acometidas en redes rehabilitadas.

Reparación de acometidas mediante procesos de inyección de resinas y/o colocación de encofrados.

Eliminación de acometidas penetrantes mediante cortadores o fresadores.

Reparación de huecos.

Sellado de infiltraciones de agua.

Instalación de mangas.

La utilización de procesos robóticos se facilita debido a la existencia continua de cámaras de inspección de alcantarillado a través de las cuales se puede ingresar el robot sin necesidad de realizar excavaciones a cielo abierto. Cuando el dispositivo ingresa a la red, es operado mediante un sistema de control remoto por un operador que se ubica en un vehículo en la superficie, quien tiene la posibilidad de observar los daños presentes en la red a través de una pantalla de computador y así realizar las reparaciones correspondientes.

Reaparición de acometidas penetrantes: consiste en el fresado o alisado de aquellas acometidas que por defectos constructivos han penetrado al interior de la red, lo cual provoca una reducción de la sección transversal de la tubería y obstruye el flujo. Pueden retener material, con lo cual se generan obstrucciones.

El trabajo consiste en ingresar el robot con el cortador después de identificar plenamente la ubicación de la acometida a reparar; tanto la cámara como el cortador se operan a través de una sola unidad de control, eliminando la necesidad de un sistema de cámara por separado, con lo cual el operador identifica plenamente el daño y realiza la reparación a través del mismo monitor.

Aplicación de sellos o resinas: mediante un robot se realiza la reparación de grietas y fisuras con la inyección de resinas y emulsiones fluidas que posteriormente se endurecen. De acuerdo con el tamaño, profundidad y ubicación de las fisuras o grietas se utilizan resinas epóxicas, de poliuretanos, minerales y orgánicas, pasta de cemento, entre otras. La tecnología de procesos de inyección puntuales no ofrece una plena reparación estructural.

Colocación de sombreretes o encofrados: la colocación de encofrados es un método de renovación de las conexiones de las acometidas a la red principal. Es un proceso económico y efectivo. Este sistema de encofrado deja perfectamente sellada y reparada la conexión de la acometida sin necesidad de fresado posterior.

Revestimiento utilizando tramos cortos con CIPP: el procedimiento consiste en colocar una pequeña sección o manga de reparación (tipo CIPP) que se ubica en el lugar del daño, empleando una bolsa o globo que se infla para presionar la sección de CIPP contra la estructura de la tubería original hasta que el revestimiento o resina es curado.

49

Encamisados internos: técnica de reparación en sitio que consiste en introducir en la red de alcantarillado una camisa o manga que puede estar fabricada con materiales plásticos o metálicos. Algunas de las mangas utilizadas pueden ser colocadas una a continuación de la otra, con lo cual es posible reparar secciones de tubería de acuerdo con la longitud requerida.

3.2 Técnicas de renovación

La renovación consiste en un procedimiento que implica el cambio de tramos completos de red, mediante la instalación de revestimientos (felpas o tuberías) al interior de la red a rehabilitar. Puede ser estructural o no estructural. Algunas de las técnicas o métodos más utilizados son:

Close fit lining, entubado sin espacio anular o técnica de rehabilitación por ajuste perfecto

Deslizamiento con reducción asimétrica del diámetro (doblado y formado, en inglés formed in place pipe lining).

Deslizamiento de tubería con reducción simétrica del diámetro (swagelining).

Rolldown.

Subline (entubado con ajuste perfecto).

Método de inserción del revestimiento de envoltura en espiral (spirallining).

Tubería curada en el sitio (CIPP) o tubería endurecida en el punto de aplicación.

Métodos de deslizamiento (sliplining).

3.3 Técnicas de reemplazo

Las técnicas de reemplazo consisten en la construcción de un nuevo sistema de alcantarillado. Se mejoran las capacidades hidráulicas (diámetros), ambientales y estructurales de la red, se genera vida útil al sistema ya que las redes viejas son generalmente destruidas con la construcción e instalación de tramos nuevos pero utilizando el alineamiento de la red antigua. Algunas de las técnicas o métodos más utilizados son:

Métodos de fractura (rotura o estallido) de tubería o expansión dentro del colector (pipe bursting).

Método de extracción de tubería (pipe extraction).

Pipe eating, fragmentación y remoción de tubería.

Pipe splitting: corte de tubería.

Extracción y reemplazo de tubería: pipe extraction and replacement.

4. Instalaciones nuevas

Adicional a los métodos de rehabilitación existen en el mercado algunos métodos denominados constructivos, utilizados para la instalación de redes nuevas. De ellos podemos mencionar:

Método de perforación horizontal dirigida (HDD)

Empuje de tubería (pipe jacking).

Métodos de barrena, perforación rotativa helicoidal (PRH, auger boring).

Máquinas de microtunelación con tubos piloto (PTMT)

Método de tubería forzada o hincado horizontal de tubería (pipe ramming).

Métodos de compactación (CM), impact moling o perforación neumática.

5. Aplicación de un sistema de información geográfico con la metodología de diagnóstico con CCTV

Una de las aplicaciones consistió en revisar las redes clasificadas de acuerdo con la metodología CCTV en un sector ubicado en el costado centro occidental de Medellín, abarcando las cuencas de las quebradas La Picacha y La Hueso.

Se observó el número y tipo de daños encontrados de acuerdo con la metodología de diagnóstico y se agruparon en términos de sus características y la reclasificación del estado operativo y estructural de las redes, teniendo en cuenta la reparación teórica de los grupos de daños observados y analizados mediante la utilización de tecnologías de reparación sin zanja y apoyados en el sistema de información geográfico utilizado por la empresa y el software Geomedia.

50

Dosier: saneamiento

Los tramos se encuentran clasificados para la zona de estudio por la metodología así:

En las gráficas se observa cómo el 58% de los 1.269 tramos diagnosticados con CCTV se encuentran clasificados en grado 1, lo que indica que son tramos en los que no se encontraron defectos o los pocos defectos que se hallaron no son importantes y no comprometen la estabilidad estructural u operacional del tramo, por lo cual es evidente que el análisis por daños debe realizarse sobre el otro 42% de los tramos clasificados en grados entre 2 y 5.

Con relación a los 77 tramos de red clasificados como grado 2, representan la menor cantidad de la muestra, corresponden al 6% de los tramos y son redes que de acuerdo con el sistema de clasificación los defectos encontrados presentan una mayor importancia pero no comprometen la estabilidad estructural u operacional del tramo inspeccionado a corto plazo. Son tramos de red que si bien deben ser sometidos a procesos de reparación puntual, no representan riesgos estructurales y no deben ser tenidos en cuenta en un programa de reposición o reemplazo, salvo que las condiciones propias de diseño así lo requieran como, por ejemplo, insuficiencias hidráulicas o requerimientos de ampliación del sistema.

Tabla 1. Clasificación de los tramos diagnosticados en el área de estudio.

Una vez se ingresaron los tramos de red diagnosticados, mediante la metodología para el diagnóstico de redes con CCTV a un sistema de información geográfico (utilizando el software Geomedia) su visualización es como se presenta a continuación:

51

Grado 4. Los defectos encontrados puntuales o sectorizados son de gran importancia y comprometen el estado estructural u operacional del tramo inspeccionado.

La problemática más seria se presenta sobre los tramos clasificados como grado 5, tramos de red que presentan defectos de gran importancia en todo el tramo y que estructuralmente u operativamente requieren de intervención inmediata, toda vez que se debe determinar de forma rápida la necesidad y viabilidad técnica y operativa de reposición o reemplazo.

El total de daños observados en las redes diagnosticadas de las cuencas La Picacha y La Hueso, y que son utilizados para el presente trabajo, son los siguientes:

Tabla 2. Número de observaciones encontradas con el diagnóstico en el área de estudio.

Código Definición Cantidad Porcentaje

IND Infiltracion tipo derrame

ING Infiltracion tipo goteo

INF Infiltracion tipo filtro

INP

EX

ACH

ACP

ACCE

ACV

ACDI

FIL

FIC

FIM

FIE

FRL

FRC

FRM

FRE

Exfiltración

Acometida con hueco

Acometida penetrante

Acometida sin caja de empalme

Acometida con varilla

Acometida daño interno

Fisura longitudinal

Fisura circular

Fisura múltiple

Fisura en espiral

Fractura longitudinal

Fractura circular

Fractura múltiple

Infiltracion tipo presión

Fractura en espiral

Rotura

Hueco

Total observaciones áerea de estudio

17,46%

2,23%

2,34%

1,24%

0,06%

22,83%

5,73%

1,10%

0,30%

9,06%

2,89%

3,47%

0,47%

0,06%

6,83%

7,88%

3,08%

0,06%

0,14%

12,78%

100,00%

634

81

85

45

2

829

208

40

11

329

105

126

17

2

248

286

112

2

5

464

3631

RO

HU

Los tramos clasificados en los grados 3 y 5 presentan una consistencia numérica (185 y 179), tramos de la muestra correspondientes al 15% y 14% respectivamente, mientras que el grado 4 corresponde al 7% de la muestra con 91 tramos. Los tramos 3, 4 y 5 son aquellos que deben ser necesariamente intervenidos mínimamente con procesos de reparación o apiques de verificación que permitan establecer el real estado de la estructura y las condiciones del terreno sobre el cual están instaladas, nivel freático, requerimientos frente a diseños, entre otros.

De acuerdo con la clasificación, los tramos de red clasificados como grados 3 y 4 requieren atención inmediata mediante acciones de reparación puntual así:

Grado 3. Los defectos encontrados generan problemas puntuales de tipo estructural u operacional. Se deben tomar acciones correctivas o preventivas con el fin de minimizar la probabilidad de falla.

52

Dosier: saneamiento

Agrupación de daños

Para el trabajo se agruparon los daños, y para el caso especial del Grupo 1, correspondiente a uno de los problemas más representativos en las redes de alcantarillado, por sus implicaciones merece un análisis especial. Se trata de los daños en acometidas, ya sea por errores en la construcción, por problemas de deterioro debido a su uso o por representar un problema para el funcionamiento normal de la red.

Este grupo presenta un total de 1.417 daños, correspondientes al 39.03% del total de los daños del estudio (3.631), y dentro del mismo las acometidas con hueco resultan especialmente representativas, con un total de 829 daños que significan el 58.50% del grupo.

De esta manera, el 39.03% de los 3.631 daños que se encontraron en los tramos de red diagnosticados con CCTV, corresponden a daños ubicados en las acometidas y generalmente en su empalme a la red. Este tipo de daños puede ser reparado con diferentes técnicas, acompañadas generalmente de procesos robóticos como las ya expuestas anteriormente.

Reclasificación de los tramos de red de acuerdo con las intervenciones sobre el Grupo 1Una vez se hicieron las intervenciones para reparar los daños encontrados en las redes del área de estudio y que fueron reunidas en el Grupo 1, se procedió a realizar una reclasificación de los tramos de red con el fin de hacer un paralelo entre la forma como fueron clasificados los tramos originalmente con la metodología para el diagnóstico de redes (estado real), y la forma como quedarían los tramos de red clasificados a partir la realización teórica de las reparaciones con tecnologías de rehabilitación sin zanja.

Tabla 3. Códigos y definición del grupo de daños en acometidas.

53

Grado Tramos originalesde la muestra

ReclasificaciónGrupo 1

1 737

77

185

91

179

829

68

140

70

162

2

3

4

5

1269 1269Total

Tabla 4. Reclasificación de los tramos de red de acuerdo conlas reparaciones del Grupo 1 (acometidas).

Figura 6. Reclasificación de los tramos de red de acuerdo conlas reparaciones del Grupo 1 (acometidas).

En el análisis se utiliza la metodología para el diagnóstico de redes de propiedad de EPM, con sus indicadores y fórmulas. Por su parte, la reclasificación se realiza llevando a tablas en Excel toda la información requerida y extraída del área de estudio, utilizando los mismos indicadores y la fórmula de la metodología de clasificación. Los resultados obtenidos fueron los siguientes:

01 2 3 4 5

100200300400500600700800900

Reclasificación para Grupo 1

Grado del tramoTramos originales de la muestra

Núm

ero

de tr

amos

Reclasificación Grupo 1

54

Dosier: saneamiento

De acuerdo con los resultados obtenidos en la reclasificación, al realizar las reparaciones del Grupo 1, se puede observar que:

Para el conjunto de tramos de grado 1 se presenta un incremento de 92 tramos, un 12.48%, al pasar de 737 tramos en la muestra original a 829 en la reclasificación, lo que representa un muy buen resultado, ante todo cuando se evidencia que en los demás grados el número de tramos disminuye.

Para el conjunto de tramos de grado 2 se presenta una disminución de 9 tramos, un 11.69% menos, al pasar de 77 en la muestra original a 68 en la reclasificación, lo que representa un buen resultado en tramos que pasan a ser de grado 1.

Para el conjunto de tramos de grado 3 se presenta una disminución de 45 tramos, un 24.32% menos, al pasar de 185 en la muestra original a 140 en la reclasificación, representando un excelente resultado pues los tramos pasan a ser grado 2 y en su mayoría grado 1.

Para el conjunto de tramos de grado 4 se presenta una disminución de 21 tramos, un 23.08% menos, al pasar de 91 en la muestra original a 70 en la reclasificación, lo que representa igualmente un muy buen resultado porcentual si se tiene en cuenta la criticidad del grado 4.

El grado 5 es aquel en el que menos tramos se espera que asciendan en la reclasificación, por tratarse de tramos que están a punto de colapsar y que requieren atención inmediata; sin embargo, se observa cómo se presenta una disminución de 17 tramos, un 9.50% menos, al pasar de 179 en la muestra original a 162 en la reclasificación, siendo esto un muy buen resultado.

Tabla 5. Análisis de la reclasificación de los tramos de red de acuerdo con las reparaciones del Grupo 1 (acometidas).

Grado Diferencia %Tramos originalesde la muestra

ReclasificaciónGrupo 1

1 737

77

185

91

179

829 92

-9

-45

-21

-17

12,48%

-11,69%

-24,32%

-29,08%

-9,50%

68

140

70

162

2

3

4

5

1269 1269Total

55

56

Dosier: saneamiento

Se evidencia en este caso que la problemática más importante de las redes, de acuerdo con el diagnóstico con CCTV, corresponde al grupo de los daños de acometidas, y la importancia que tiene la reparación de este tipo de elementos para el beneficio directo del sistema en general.

Para los demás grupos de la muestra se realiza un trabajo similar al expuesto para el Grupo 1.

6. Conclusiones y recomendaciones

La inspección de redes de alcantarillado con equipos de CCTV es la principal herramienta con la que se cuenta para determinar del estado de las redes de alcantarillado, así como para la evaluación de los resultados obtenidos en los procesos de rehabilitación, cualquiera sea la tecnología utilizada.

Los resultados de un diagnóstico con CCTV permiten determinar las medidas prioritarias que deben ser tomadas para garantizar la operatividad y funcionamiento adecuado del sistema, así como retardar el deterioro progresivo de la red y evitar su posterior colapso. Sin embargo, es necesario identificar de forma precisa cada uno de los daños que se presentan en la red, sus causas, sus consecuencias y su evolución en el tiempo, de tal forma que faciliten el pronóstico, lo más acertado posible, de cómo la red se está envejeciendo y, de este modo, planear eficientemente no solo la rehabilitación del sistema sino el estudio del tipo de tecnología a emplear y las previsiones económicas para tal fin.

En este último caso, gana importancia el tema de la visualización geográfica que demuestra ser primordial al sectorizar zonas de la ciudad para implementar programas de reparación, recorridos de mantenimiento con equipos y vehículos combinados de presión-succión, ternas para desobstrucciones e investigaciones con geófonos para el caso de las infiltraciones, entre otros.

Si bien la problemática más importante de las redes, de acuerdo con el diagnóstico con CCTV, corresponde al grupo de los daños acometidas, las reparaciones sobre las mismas muchas veces evidencia daños hacia el interior, con lo cual se genera una serie de dificultades frente a la comunidad, especialmente en lo que hace referencia al trabajo sobre propiedad privada, dando lugar a la creación de expectativas en el usuario, inquietudes frente al costo de las obras, el pago y la financiación de las mismas, y también la property, homeowner expectations, risk management, funding sources and options, and theresponsabilidad por parte de los usuarios de asumir dichos costos que, por desconocimiento legal, difícilmente desea entender.

En la reparación de cualquier tipo de daño presente en la red se debe tener la suficiente claridad en el sentido de que se hayan explorado los diferentes métodos de reparación y realizado una investigación adecuada sobre las causas que lo generaron, las consecuencias del mismo y los beneficios tanto económicos como sociales que representa el utilizar cualquier tipo de tecnología sin zanja con relación al método tradicional a cielo abierto.

Se debe garantizar la actualización permanente de los equipos y el software que son utilizados para el diagnóstico de redes y asegurarse de que el personal encargado de los diferentes procesos cuente con la debida experiencia, capacitación y actualización continua a través de asistencias a congresos, modelos de auto-capacitación, visitas a diferentes empresas y obras y el aprovechamiento de las opciones que ofrecen entidades como el Instituto Colombiano de Tecnologías de Infraestructura Subterránea, ICTIS.

Establecer programas pilotos de reparación y rehabilitación de redes sin zanja, basados en los resultados de las metodologías de CCTV, permitirá evaluar la capacidad del personal y de las empresas, así como analizar las condiciones técnicas, económicas y sociales en las que estas obras son desarrolladas frente a los métodos tradicionales a cielo abierto.

El tema del documento se plantea como un inicio o aporte con miras a una serie de investigaciones enfocadas en el tema de la rehabilitación de redes de alcantarillado utilizando tecnologías sin zanja, que permitan contribuir al afianzamiento de los conceptos y experiencias adquiridas y que despierte la curiosidad de otras personas hacia este tema.

57

Bibliografía

Metodología para el diagnóstico y evaluacion de redes de alcantarillado con CCTV. Empresas Públicas de Medellin E.S.P. Medellín, junio de 2008

Method selection for trenchless technology in south america. In partial fulfillment of the requirements of CVEN 555 Louisiana Tech University. Juan Carlos Gutiérrez. August 11, 2006

Determinación del estado de redes de alcantarillado, teniendo en cuenta inspecciones con circuito cerrado de television (CCTV). Juan Manuel Escallón Arango. Universidad de Los Andes. Bogotá, junio 2005.

Desarrollo de una metodología para determinar cuándo rehabilitar redes de alcantarillado. Norma Lucía Rodriguez Espinosa. Universidad de Los Andes. Bogotá, enero 2006.

Criterios de selección de alternativas de rehabilitación de alcantarillados en Colombia. Julio Carlos de Oro Vergara. Universidad de Los Andes. Bogotá, julio 2008.

International Society for trenchless technology. Condition Assessment and rehabilitation Planning. Trenchless Technologies Resource Center. Disponible en http://www.istt.com/

Stein, Dietrich and Stein, Robert. Rehabilitation and Maintenance of Drains and Sewers. www.unitracc.com

Stein, Dietrich and Stein, Robert. Rehabilitation Costs and Economic Efficiency. www.unitracc.com

Najafi, Mohammad; Sanjiv, Gokhale. Trenchless Technology. Pipeline and utility design, construction and renewal. Universidad de Texas, Arlington, United Estates.

58

Dosier: saneamiento

"empalme de líneas de energía"

Jorge Humberto Naranjo CardonaUnidad Gestión Humana y Organizacional Aguas, EPMjorge.naranjo.cardona@epm.com.co

Revisión crítica del diseño de las cámaras de inspección utilizando el criterio de

Palabras claveCámaras de inspección, líneas de energía, empalmes de líneas de energía, pérdidas de energía, energía específica, pérdidas por fricción, número de Froude, régimen de flujo crítico, régimen de flujo subcrítico, régimen de flujo supercrítico, flujos gradualmente variados, ecuación de Darcy-Weisbach, ecuación de Colebrook White.

59

ResumenLos más modernos avances en la gestión de las redes de alcantarillado se basan en la superación del paradigma con el que se desarrollaron: la evacuación más rápida posible del agua urbana hacia mecanismos que permitan recuperar o simular las condiciones del terreno sin urbanizar, ya sea mediante el aumento de la infiltración del terreno o con la optimización del comportamiento hidráulico de las redes y sus obras accesorias, entre ellas las cámaras de inspección.

Por ser elementos esenciales en los alcantarillados sostenibles, la concepción moderna en la fabricación de estas cámaras permite mejorar el comportamiento hidráulico del sistema, toda vez que brinda características adicionales a las usadas actualmente como, por ejemplo, facilidad de instalación, eficiencia hidráulica, hermeticidad y resistencia estructural y química.

Una de las características de mayor estudio y relevancia es la rugosidad interna de las tuberías y de los accesorios que generan pérdidas de energía, como es el caso de estas cámaras. De esta manera, la fabricación de estos elementos con superficie interior totalmente lisa (plástica) busca aumentar la capacidad hidráulica, sobre todo en alcantarillados pluviales en los cuales hay posibilidad de presurización de la tubería. Al reducir la rugosidad interna, la fuerza de fricción es menor y el gradiente de energía disminuye muy poco, haciendo que la velocidad del flujo sea cercana a la ideal (sin fricción).

Como consecuencia del aumento de la capacidad hidráulica, tanto en la tubería como en las cámaras, se podrían utilizar tuberías con menores diámetros durante el diseño y conseguir empates de líneas de energía en las cámaras sin generar resaltos o caídas que redunden en pérdidas de energía y estancamientos.

A través de una revisión crítica del diseño de las cámaras de inspección y utilizando el criterio de empate de líneas de energía y las ecuaciones de “Darcy-Weisbach” y “Colebrook White”, esta propuesta permite generar una iniciativa para la optimización del diseño del alcantarillado y conseguir diseños más acertados con la realidad encontrada en el terreno. la metodología para el diagnóstico de redes de alcantarillado, mediante la utilización de cámaras con circuito cerrado de televisión (CCTV) y cuenta con un sistema georreferenciado de sus redes, con lo cual se abrió el horizonte para emplear la implementación de técnicas de rehabilitación de redes mediante tecnologías sin zanjas.

En el presente documento se analizan estas tres actividades: diagnóstico de redes con CCTV, sistemas de información geográfico (SIG) y nuevas tecnologías de rehabilitación sin zanja, planteando la posibilidad de su integración y, de este modo, abrir la gama de posibilidades para una actividad que genera un gran impacto ambiental y social, con una invitación a todos los profesionales e interesados en el tema para que sigan innovando e investigando.

60

Dosier: saneamiento

1. Antecedentes

En 1990, EPM actualizó el manual de normas de diseño de acueducto, alcantarillado y vertimientos de aguas industriales, con el propósito de constituirlo en una herramienta para la optimización de los diseños y obras accesorias y lograr la comprensión de los aspectos técnicos involucrados en estos temas, con lo cual se constituía, además, en una respuesta a la exigencias tecnológicas de ese momento.

Por la información disponible y las herramientas existentes en esa época, estas normas plantearon el diseño de alcantarillado con flujo uniforme y sin pérdidas en las cámaras de inspección. La única consideración que se tuvo en cuenta para las cámaras fue determinar una tabla para establecer una diferencia de alturas entre las tuberías de entrada y salida, sin ninguna demostración física de estos valores.

Hoy, aunque existe una amplia gama de herramientas y programas especializados en el análisis de redes de drenaje y sus obras accesorias, no se ha considerado relevante el estudio de las pérdidas de energía que presenta el flujo del agua al ingresar y salir de las cámaras de inspección, y así mismo las generadas cuando se presenta cambio de diámetro, dirección, pendiente, material y longitud de las tuberías, concibiendo diseños alejados de la realidad y que pueden tener como consecuencia final aumentar la probabilidad de riesgos de inundación y generar problemas a la comunidad.

Adicionalmente, la impermeabilización del suelo rural, como resultado del proceso urbanizador de las ciudades, hace que se reduzca el tiempo de concentración de las lluvias en las cuencas y un aumento del caudal de punta y del volumen total de escorrentía que ha de transportar la red de alcantarillado, siendo necesario entonces el desarrollo de sistemas de drenajes eficientes y efectivos.

La concepción de los sistemas de alcantarillado ha venido cambiando hacia una visión integral y activa dentro de los fenómenos estructurales, hidráulicos y de calidad del agua. Los rebosamientos y las consecuentes inundaciones, las grietas, roturas e infiltraciones, entre otros, son problemas típicos de una red de alcantarillado que están siendo atendidos con tecnologías de inspección y monitoreo, importantes para facilitar el manejo integral de sus componentes como un todo, desde la cuenca urbana hasta el receptor final en términos estructurales, hidráulicos y ambientales.

En la actualidad el sistema de alcantarillado de Medellín está construido casi en un 99% con cámaras de inspección de concreto, pero en el mercado están ofreciendo otras opciones como las cámaras plásticas, las cuales pueden tener ventajas considerables frente a las de concreto en términos de conservación de la energía.

Cámaras de inspección de concreto, PVC, polietileno de alta densidad y polipropileno, respectivamente.

61

2. Elementos de un sistema de alcantarillado

Los elementos que integran un sistema de alcantarillado convencional se pueden dividir en las siguientes categorías:

Componentes de captación: corresponden a todos los elementos responsables de capturar ágilmente el agua lluvia generada en un evento de precipitación, o el agua residual generada en los procesos domésticos, industriales y comerciales.

Componentes de regulación precolectores: una vez captada el agua, debe evaluarse el efecto que tendrá este vertimiento hacia aguas abajo del sistema, en términos de cantidad y calidad.

Componentes de conducción: son las tuberías e interceptores que transportan el agua hacia las plantas de tratamiento o receptores finales.

Componentes de inspección: necesarios para la inspección y limpieza de las tuberías, así como también para los cambios de niveles y de dirección. Convencionalmente, el tamaño de las cámaras actuales está condicionado a las dimensiones ergonómicas de la persona que realiza la inspección; sin embargo, con la utilización de robots motorizados y dotados con cámaras de video y sistemas de limpieza, estas serán de dimensiones similares a las tuberías, solo con el espacio suficiente para permitir el ingreso de un equipo robotizado que realice la operación de mantenimiento.

Componentes de regulación: se refieren a los elementos que regulan los caudales picos ante eventos extremos de precipitación en alcantarillados combinados. Uno de estos componentes son los alivios combinados y tanques de almacenamiento.

Componentes de tratamiento: convencionalmente, el principal componente de tratamiento lo constituye la planta de tratamiento de agua residual, localizada al final de la red de alcantarillado. Esta es una concepción que poco a poco cambiará hacia un sistema de tratamiento integral, en donde la red de alcantarillado y los interceptores jugarán un papel importante en el tratamiento del agua residual que llegará a la planta.

Componentes de recepción: los cuerpos naturales que reciben finalmente el agua residual proveniente de los núcleos urbanos, tienen un grado de capacidad de dilución de la materia orgánica.

En el presente trabajo se hace énfasis en el funcionamiento de los componentes de inspección, especialmente las cámaras de inspección según el método de empalme de líneas de energía para régimen de flujo subcrítico y supercrítico.

Diseño de una red de alcantarillado con sus cámaras de inspección y su acometida.

62

Dosier: saneamiento

2.1 Criterios de diseño de cámaras de inspección

La transición hidráulica entre tramos consecutivos de alcantarillado debe analizarse cuidadosamente, en especial cuando los regímenes de flujo cambian en la unión de tuberías o existen deflexiones pronunciadas en el alineamiento de los mismos.

El flujo llega a la cámara de inspección con unas condiciones de profundidad y velocidad diferentes a las del tramo de salida, y con el fin de evitar perfiles acelerados de flujo (flujo gradualmente variado) se diseñan resaltos hidráulicos o caídas para mantener la hipótesis de flujo uniforme en el diseño de las tuberías.

Con base en el régimen de flujo presente en la entrada y en la salida de la cámara se define el tipo de empalme que debe hacerse entre los dos tramos. Cuando existe la presencia de dos o más tramos de llegada, es necesario establecer aquel que se comporta como el hidráulicamente dominante en el diseño de la estructura, teniendo en cuenta algunos de los siguientes tres criterios:

Conducto de entrada con menor ángulo de deflexión: el conducto dominante será aquel que tenga menor ángulo de deflexión con respecto al conducto de salida; no obstante, la diferencia de caudal transportado entre conductos de entrada debe ser mínima.

Conducto de entrada con mayor altura o cabeza de velocidad: el conducto dominante será aquel que presente mayor altura de velocidad.

Conducto con mayor valor resultante al multiplicar el caudal por la velocidad: el conducto dominante será aquel que obtenga el mayor valor del producto resultante entre el caudal que transporte y la velocidad de flujo.

Cámara de inspección con vista exterior e interior.

De vital importancia es el diseño de la cañuela o piso de la estructura. Esta es una plataforma en la cual se hacen canales que prolongan los conductos y encauzan sus flujos permitiendo el escurrimiento del flujo en la dirección aguas abajo. Aquí pueden proyectarse las transiciones entre el colector principal afluente y el colector de salida, de tal forma que las pérdidas de energía se minimicen, se evite la turbulencia y la retención de material en suspensión, teniendo en cuenta consideraciones de deflexión de flujo y los radios de curvatura.

Esto es importante, en particular en aquellos casos en que las condiciones específicas ameriten reducir estas pérdidas. Para evitar la formación de remansos, el fondo de la cámara de inspección deberá tener una pendiente similar a la mayor de los conductos que llegan a ella.

63

2.2 Pérdidas de energía

La unión o intersección de dos o más tuberías debe hacerse con estructuras hidráulicas apropiadas cuyo diseño hidráulico se basa en la determinación de las pérdidas de altura en la estructura, con el fin de estimar la cota batea de la tubería de salida. El análisis es diferente dependiendo del régimen de flujo, tanto en las tuberías de entrada como en las de la salida.

La pérdida de energía experimentada por el flujo de agua en las estructura de inspección, se debe a la superposición de varios fenómenos allí presentes como los cambios de dirección que experimenta el flujo, las contracciones y expansiones que se llevan a cabo en la estructura, la confluencia de chorros y el efecto de la cañuela de direccionamiento de flujo.

“El grado de relevancia de cada uno de los fenómenos que intervienen en el proceso de pérdida de energía al interior de la estructura, depende del tipo de régimen bajo el cual operen las tuberías conectadas a la estructura. De acuerdo con lo anterior, la manera de aproximarse a la estimación de las pérdidas de energía en las cámaras de conexión o inspección es diferente dependiendo si el régimen de flujo es subcrítico o supercrítico”. (Tomado de “Normas de diseño de sistemas de alcantarillado de EPM”).

Figura 1: Esquema de pérdidas de energía por fricción.

64

Dosier: saneamiento

3. Formulación matemática

Para el dimensionamiento hidráulico de un tramo de tubería o alcantarilla es necesario conocer el caudal de diseño, dimensionar el conducto para ese caudal, comprobar que las velocidades que circulan por el mismo son las adecuadas y que la línea de energía no sufra cambios bruscos ni supere la cota del terreno. Así mismo se deben incluir las pérdidas menores en las cámaras de inspección y de caída utilizando las ecuaciones de flujo uniforme para verificar sobrecargas y la formación de resaltos hidráulicos.

3.1 Diseño de tuberías tramo a tramo

Utilizando las ecuaciones de Darcy-Weisbach y Colebrook White se determina la capacidad de una tubería trabajando parcialmente llena y el caudal que pasa por ella bajo condición de flujo uniforme como función de la rugosidad absoluta de la tubería, el radio hidráulico de la sección transversal, la pendiente longitudinal y la viscosidad cinemática del agua.

La siguiente ecuación permite calcular el diámetro mínimo necesario para alcanzar una capacidad de descarga igual o mayor que el caudal de diseño definido, cumpliendo con el criterio de profundidad máxima.

Donde:Q = Caudal del flujo (m3/s).ks = Rugosidad absoluta de la tubería (m).R = Radio hidráulico (m).A = Área mojada transversal (m2).S0 = Pendiente longitudinal del tramo (m/m). v= Viscosidad cinemática (m2/s)

3.2 Diseño de cámaras de inspección bajo régimen subcrítico

Este mecanismo se fundamenta en el criterio de conservación de energía, el cual considera que cuando dos o más tramos de tubería concurren a una cámara de inspección, la cota de energía de la tubería de salida será menor o igual que la de las tuberías afluentes, con el fin de evitar remansos que alteren el funcionamiento óptimo del sistema de alcantarillado.

La pérdida de energía, ocurrida en la tubería principal, por efecto de la unión con otras tuberías, o por cambio en su dirección, cuando opera a flujo subcrítico, se determinará con las siguientes ecuaciones:Donde:

E1 = Energía específica en la tubería de entrada (m).E2 = Energía específica en la tubería de salida (m).Y1 = Profundidad de flujo en la tubería de entrada (m).Y2 = Profundidad de flujo en la tubería de salida (m).V1 = Velocidad en la tubería de entrada (m/s).V2 = Velocidad en la tubería de salida (m/s).∆He = hm, Pérdidas de energía producidas por el empalme de las tuberías en la cámara de inspección (m)Hp = Caída de fondo en la cámara de inspección (m).∆Hd = Pérdida de energía por el cambio de dirección.∆Ht = Pérdida de energía por la unión o transición.

Q = −2A 8gRS 0 log10ks

14.8R+ 2.51υ4R 8gRS 0

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟

E1 = y1 +v12

2g∧ E 2 = y2 +

v22

2g (Ec.2)

E1 = E 2 + ΔHe (Ec.3)H p = E 2 − E1 + ΔHe (Ec.4)

ΔHe = ΔHd + ΔH t = hm (Ec.5)

(Ec.1)

65

3.3 Diseño de cámaras de inspección bajo régimen supercrítico

El concepto de empalme por línea de energía para estimar las pérdidas en la unión de las tuberías que entran y salen de las cámaras de inspección con régimen subcrítico, no es aplicable con la misma metodología al régimen supercrítico. En este se tienen velocidades mayores, lo cual implica trabajar con energía cinética mayor, lo cual podría ocasionar la salida tangencial del agua de la cañuela bajo estas condiciones. Acorde con lo anterior se presentan dos alternativas para la unión de las tuberías en la cámara de inspección bajo el criterio de empalme por líneas de energía:

Unión de tuberías en la cámara de inspección sin caída.

Unión de tuberías en la cámara de inspección con caída.

Figura 2: Criterio de empalme de línea de energía en cámara de inspección con diámetro de tubería de salida igual al de entrada.

Figura 3: Empalme por línea de energía en cámaras con caída y entrada sumergida.

Hw

66

Dosier: saneamiento

3.4 Métodos para el cálculo de las pérdidas de energía en las cámaras de inspección.

Método 1.

Este método considera de manera explícita las características geométricas de la cámara de inspección y las pérdidas debidas a la unión de las tuberías, donde:

∆He = Pérdidas de energía por cambio de dirección, ∆Ht: Pérdidas de energía por la unión de las tuberías en la transición.

Donde:K = 0.1 para un aumento de la velocidad.K = 0.2 para una disminución de la velocidad.

Método estándar.

Este método incluye de manera implícita, a través del coeficiente de pérdidas menores km, las características geométricas de la cámara y las condiciones hidráulicas de la misma en el cálculo de las pérdidas menores de energía.

La pérdida de altura en la cámara de inspección (hm) se calcula multiplicando el coeficiente de pérdidas menores (km), el cual se toma de valores estandarizados de una tabla ,por la cabeza o altura de velocidad de la tubería de salida de la cámara, tal como lo establece su ecuación:

Figura 4: Empalme por línea de energía en cámaras con caída y entrada no sumergida.

ΔH t = Kv22

2g−v12

2g(Ec.6)

67

Donde:hm = Pérdidas menores en la cámara de inspección (m).Km = Coeficiente de pérdidas menores.V2 = Velocidad en el conducto de salida (m/s).∆ = Ángulo deflexión entre el tramo de entrada y de salida de la cámara (°).

Método AASHTO.

En este método se tienen en cuenta las características de los flujos entrantes y salientes a la cámara de inspección. Para su adecuada aplicación se debe tener presente:

Que ingresen más de dos tuberías a la cámara.Que la tuberías presenten flujo subcríticoQue el diámetro de la tubería de salida sea mayor que el de la entrada.

El cálculo de la pérdida de altura en la cámara se realiza con las ecuaciones:

Donde:Hm = Pérdida de altura en la cámara de inspección (m).h0 = Pérdida de altura por contracción (m).hl = Pérdida de altura por expansión (m).hb = Pérdida de altura por cambio de dirección (m).Kd = Coeficiente de pérdidas por cambio de dirección.V1 = Velocidad en la tubería. V2 = Velocidad en la tubería de salida (m/s).g = Aceleración de la gravedad (m/s2).

Método HEC22:En este método se calculan las pérdidas de energía en la cámara de inspección multiplicando la cabeza o altura de velocidad de la tubería de salida por el coeficiente de pérdidas menores; este a su vez involucra variables propias de la red y de la cámara. El modelo está compuesto por la siguiente formulación matemática:

Donde:hm = Pérdida de altura en la cámara de inspección (m).Kt = Coeficiente de pérdidas menores ajustado.V0 = Velocidad en la tubería de salida.K0 = Coeficiente de pérdidas inicial.CD = Factor de corrección por diámetros de las tuberías.Cd = Factor de corrección por profundidad de flujo.CQ = Factor de corrección por flujo relativo.Cp = Factor de corrección por flujo en caída libre.CB = Factor de corrección por uso de cañuela.

4. Ejercicio práctico de aplicación del método de empalme de línea de energía en una cámara de inspección en régimen de flujo subcrítico y supercríticoAplicando una hoja de cálculo electrónica de Microsoft Office Excel y utilizando datos hipotéticos de tres cámaras de inspección, se desarrollaron cada una de las ecuaciones aplicables a los tres métodos en régimen de flujo subcrítico y supercrítico.

Utilizando las ecuaciones de Darcy-Weisbach y Colebrook White se determinó la capacidad de una tubería trabajando parcialmente llena y el caudal que pasa por ella bajo condición de flujo uniforme, como función de la rugosidad absoluta de la tubería.En total se realizaron 13 casos, en ellos se procedió de la siguiente manera:

1. Se seleccionó una cámara de inspección hipotética y en ella se variaron las características en estudio.

2.Se definieron los datos de entrada para las tuberías afluente y efluente.

hm = Km

V22

2g⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟ (Ec.7)

h0 = 0.25V2

2

2g⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟ h1 = 0.35

V12

2g⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟ hb = K

V12

2g⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟ (Ec8)

Hm =h0 + h1 + hb( )

2=0.25

V22

2g⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟+ 0.35

V12

2g⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟+ kd

V12

2g⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥

2 (Ec9)

hm = ktV2

2

2g⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟ (Ec.10)

kt = k0 *CD *Cd *CQ *CP *CB *Cotro (Ec.11)

68

Dosier: saneamiento

5. Conclusiones

5.1 Con base en los resultados se puede concluir que, aplicando los cuatro métodos, las pérdidas de energía y la caída de fondo que se debe colocar a cada una de las cámaras de inspección son similares; no obstante, el método que ofrece menor complejidad en su desarrollo y arroja valores aproximados a la realidad es el estándar.

5.2 El cálculo de la caída de fondo aplicando el método HEC22 da un valor negativo al cambiar los ángulos de deflexión de las tuberías entrantes y la saliente; sin embargo, a este resultado se deben igualar las cotas de batea e impedir para su diseño elevar la cota de salida.

5.3 Las pérdidas de energía por cambio de dirección son mayores a las generadas por la unión o transición misma al interior de la cámara, situación esta que permite advertir los cambios de dirección como un elemento relevante a tener presente en el método de empalme por línea de energía y en su cálculo final de las caída de fondo o altura que requiere la cámara.

5.4 La cañuela al interior de una cámara de inspección debe considerar que en el empalme de la línea de energía, cuando se tiene régimen de flujo supercrítico, podría presentarse el desborde del agua a su interior por las altas velocidades que se generan en ellas. Para remediar esta situación podría incrementarse el radio de curvatura generando con ello menor coeficiente de pérdidas por cambio de dirección y por ende menor altura de velocidad.

5.5 A medida que el diámetro de la tubería de salida se incrementa, la entrada de agua debe hacerse de manera sumergida.

5.6 En la unión de tuberías con diámetros entre 250 y 900 mm., empleando el método de empalme por línea de energía, se generan pérdidas de energía y caídas de fondo homogéneas para este intervalo de diámetros.

5.7 A medida que el diámetro de la tubería de entrada y salida a la cámara de inspección se incrementa, la máxima caída que debe colocarse en la cámara disminuye.

5.8 La unión de tuberías de alta pendiente en una cámara de inspección obedece a criterios hidráulicos y geométricos; no obstante, el comportamiento del flujo al interior de ella se aproxima al estado de rápidamente variado lo que dificulta su modelación de manera experimental.

3. Con los diámetros seleccionados para las tuberías de entrada y salida a la cámara se aplicaron las ecuaciones de Darcy-Weisbach y Colebrook White para el cálculo de la capacidad de la tubería trabajando parcialmente llena y en condición de flujo uniforme.

4. Se verificó el cumplimiento de la condición de régimen de flujo subcrítico y supercrítico en las tuberías de entrada y salida a la cámara y demás propiedades geométricas.

5. Se seleccionaron los datos para el cálculo del empalme por línea de energía.

6. Se realizaron los cálculos aplicando las ecuaciones definidas para cada uno de los métodos y se halló:

El diámetro de la cámara.

La energía específica en la tubería de entrada y salida.

El coeficiente de pérdidas menores Km para los cuatro métodos.

El coeficiente de pérdidas menores Kd.

El coeficiente de pérdidas menores ajustado Kt.

Las pérdidas menores para los cuatro métodos.

La caída de fondo para los cuatro métodos.

La caída de fondo para los tres métodos.

La relación rc/Ds.

Las pérdidas de energía por cambio de dirección ∆Hd.

Las pérdidas de energía por la unión o transición en la cámara ∆Ht.

La pérdida generada por empalme de las tuberías en cámara de inspección ∆He.

La caída en el fondo de la cámara de inspección HP.

69

5.9 Las cámaras de inspección son una parte fundamental del diseño de alcantarillados; por lo tanto, la información que arrojan los diferentes métodos de cálculo de las pérdidas, en especial las derivadas del radio de curvatura de la cañuela, son de gran importancia para su dimensionamiento, disminuyendo con ello la probabilidad de ocurrencia de inundaciones generadas por un comportamiento hidráulico inadecuado de estas estructuras.

5.10 En la actualidad se han desarrollado diferentes métodos para el cálculo de las pérdidas de energía en las cámaras de inspección, la gran mayoría utilizando el método de empalme de línea de energía que tiene como fundamento el número de Froude para distinguir y clasificar el tipo de flujo presente en la estructura de conexión.5.11 Dado que en el medio colombiano predomina el flujo supercrítico por las altas pendientes del Valle de Aburrá y por la falta de simetría de las construcciones de las redes de alcantarillado, es fundamental tener en cuenta las condiciones topográficas del terreno para el diseño de la cañuela y su radio de curvatura que genere alturas de velocidad bajas.5.12 El cálculo de las pérdidas de energía en las cámaras de inspección, basado en el método de empalme del flujo por línea de energía, es un concepto que con su formulación matemática permite una aproximación a la realidad, pero se queda corto, dada la complejidad del comportamiento del flujo al interior de ellas, especialmente la formación de turbulencias no unidimensionales.

5.13 Para la verificación de la eficacia de los diferentes métodos de cálculo de pérdidas de energía en las cámaras de inspección es indispensable, además de la modelación matemática, las pruebas de laboratorio que incluyan análisis rigurosos, tanto cuantitativos como cualitativos del comportamiento real del flujo bajo condiciones de régimen subcrítico y supercrítico.

Recomendaciones

1. Proponer que en EPM se realicen los diseños de las cámaras de conexión o inspección, considerando las pérdidas de energía locales o menores calculadas con los métodos y ecuaciones expuestas en el presente trabajo. De igual manera, cuando se contrate la ejecución de este tipo estructuras, se le exija a los contratistas el cumplimiento de esta especificación técnica.

2. Proponer en las áreas técnicas de la Dirección de Aguas de EPM la realización de un estudio de investigación riguroso, con ensayos de laboratorio incluidos, sobre las bondades de este tipo de diseño y confrontar los resultados con la información muestral de las cámaras de inspección actualmente construidas en el municipio de Medellín y establecer la brecha entre los dos, para así poder tomar medidas preventivas y de mejoramiento.

Bibliografía

Hidráulica y pérdidas de energía de cámaras de quiebre tipo bandeja con flujo supercrítico en sistemas de alcantarillado: metodología de diseño, Maldonado Lee, Marcela, 124 h.: il. Biblioteca General "Ramón de Zubiría" en Colección de Tesis.

Estado del arte de las tecnologías de inspección de sistemas de alcantarillado, Duarte Vargas, Cristina Paola, 79 h.: il. Biblioteca General "Ramón de Zubiría" en Colección de Tesis.

Documento para la homologación de las cámaras de inspección en GRP (fabricadas por Flowtite Andercol S.A), en la empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá, según el procedimiento "Aceptación de nuevos productos o tecnologías", Norma NS-099, Camargo Fernández, Felipe. 431 h. Biblioteca General "Ramón de Zubiría" en Colección de Tesis.

Diseño de tapas para pozos y cámaras de inspección, Pabón Restrepo, Giovanni Andrés, 86 h.: il. ; 28 cm. Biblioteca General "Ramón de Zubiría" en Sala de Ciencias e Ingeniería. Piso 2.

Revista: Journal of Hydraulic Engineering, "Experimental Study of Surcharged Flowat Combining Sewers Junctions", numero: 12 Páginas: Páginas: 1259 – 1271. America Society of civil engineeres. Universidad de Medellin. 2006.

Revista: Journal of Hydraulic Engineering, “Computacional and Experimental and Study of Surcharged Flowat alt 90 Grades Combining Sewer Juntions”, número: 6 páginas: páginas: 688 – 700. America Society of civil engineeres. Universidad de Medellin. 2008.

Cartilla: “Guía para el diseño hidráulico de redes de alcantarillado”. Capitulo 6. Empresas Públicas de Medellín. 2009.

López Cualla, Ricardo: “Elementos de diseño para acueductos y alcantarilladlos”. Capitulo 14. Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito. Bogotá. 2010.

Cartilla: “Guía para el diseño de tecnologías de alcantarillado”. Capítulo 8. OPS/CEPIS/05.169 UNATSABAR, Lima 2005.

70

Dosier: saneamiento

altas pendientesMaribel Ramírez RíosÁrea Vinculación Clientes Aguas, EPMmaribel.ramirez@epm.com,co

Aliviaderos en alcantarillados combinados en ciudadesde valles angostos con

Palabras claveAliviaderos, diseño de aliviaderos, caudal no aliviado, alcantarillados combinados, diseño de alcantarillados.

71

ResumenLos alcantarillados son sistemas utilizados para la recolección y transporte de las aguas residuales, de las aguas lluvias o de ambas, hasta los sitios de disposición final, bien sea las plantas de tratamiento para el caso de las aguas residuales o cuerpos receptores para las aguas lluvias.

Los alcantarillados combinados son sistemas que transportan en una misma tubería, en forma simultánea, las aguas lluvias y residuales. En su diseño es necesario considerar las estructuras de alivio, teniendo en cuenta criterios como el grado de dilución, las características hidrológicas de la zona, los volúmenes esperados de alivio, la capacidad de depuración del cuerpo de agua receptor de estos volúmenes, la funcionalidad hidráulica requerida y el efecto ambiental de las aguas de alivio.

Se define como aliviadero la estructura hidráulica que permite que el caudal de aguas residuales en tiempo seco continúe por la red hasta la planta de tratamiento o lugar de disposición final, pero durante determinados eventos de precipitación y escorrentía asociada debe derivar o aliviar lo que les corresponda de aquella porción en exceso a la capacidad de la red aguas abajo o la capacidad de la planta de tratamiento.

El Valle de Aburrá, caracterizado por ser angosto con altas pendientes y por tener una gran extensión de redes combinadas de alcantarillado, es el escenario en el cual se evaluó el funcionamiento de los aliviaderos operados por EPM, dando como resultado que uno de los mayores problemas que presentan y que llevan a su rediseño es el cambio brusco en el tipo de flujo que registra el caudal, entre la entrada y el trayecto de recorrido por la estructura. Se concluye que los aliviaderos de vertedero lateral o cañuela elevada son los que más problemas presentan en la operación.

Del análisis realizado se presentan unas opciones para mejorar el funcionamiento de las estructuras en operación y para optimizar el diseño de los aliviaderos nuevos.

1. Acerca del Valle de Aburrá

Cuenca natural del río Medellín, el Valle de Aburrá es una subregión ubicada en la zona centro-sur del departamento de Antioquia, Colombia, en medio de la cordillera de Los Andes.

El río Medellín lo atraviesa de sur a norte y a lo largo de su recorrido recibe una serie de 53 afluentes, algunos de gran tamaño. Este valle tiene una longitud aproximada de 60 kilómetros, una amplitud variable entre 3 y 13 km, se ubica entre los 1.300 y 2.800 metros sobre el nivel del mar y está enmarcado por una topografía pendiente e irregular.

Se encuentra dividido por cuencas hidrográficas, las cuales corresponden al área de drenaje de la quebrada que lleva su nombre, incluyendo sus afluentes, tal como se indica en la Figura 1. Distribución de cuencas en el Valle de Aburrá.

De las 53 cuencas, las que tienen mayor longitud de redes combinadas con respecto al total son: Santa Elena, La Hueso, Doña María, La García, La Bermejala, Granizal y El Molino, localizadas en las zonas centro y norte del Valle de Aburrá. La zona sur también tiene redes combinadas, pero su longitud no es representativa.

El Valle de Aburrá tiene consolidada una área metropolitana en la que habita una población cercana a los 3.12 millones, correspondiente a la conurbación de diez municipios en los cuales EPM presta los servicios de acueducto y alcantarillado. Esta área está conformada por los municipios de Caldas, Envigado, Itagüí, La Estrella, Medellín, Sabaneta, Bello, Copacabana, Girardota y Barbosa.

72

Dosier: saneamiento

.

Figura 1. Distribución de cuencas en el Valle de Aburrá.

73

2. Gestión de redes y aliviaderos en EPMLos aliviaderos que fueron objeto de este estudio son operados por EPM y se encuentran ubicados en el área urbana de los municipios que conforman el área metropolitana del Valle de Aburrá. Como se dijo anteriormente, por la topografía del Valle presentan cambios bruscos de pendiente, haciendo que en las tuberías de alcantarillado y en los aliviaderos ocurran cambios de régimen, entre flujos supercríticos y subcríticos, lo cual altera el buen el funcionamiento del sistema.

De acuerdo con el proyecto denominado Gestion Aguas, “GESTA”, de EPM, para el año 2010 la longitud de redes combinadas en el Valle de Aburrá era de 1.641 metros, representando el 37,59% del total de redes de alcantarillado en operación que es de 4.366 metros. Los alcantarillados combinados son sistemas que transportan por una misma tubería las aguas lluvias y las residuales.

Gráfico 1. Distribución de redes por tipo de agua.

Topografía del Valle de Aburrá

á

74

Dosier: saneamiento

El Reglamento técnico para el sector de Agua potable y Saneamiento básico (RAS) define los aliviaderos como estructuras diseñadas en redes combinadas con el propósito de separar los caudales que exceden la capacidad del sistema y conducirlos a un sistema de drenaje de aguas lluvias. Los tipos de aliviaderos más utilizados en el sistema de alcantarillado de EPM son: vertedero lateral o cañuela elevada, de orificio y vertedero transversal. El incremento en el número total de aliviaderos entre los años 2004 y 2010 fue del 28,95%. Los de tipo vertedero transversal tuvieron un incremento notable dentro de este porcentaje. El mayor número en operación son del tipo cañuela elevada y predominan en las cuencas La Hueso, Doña María y Santa Elena.

Básicamente, la construcción de aliviaderos en sistemas de alcantarillados combinados tiene por objeto disminuir los costos de transporte de los flujos hasta el sitio de disposición final o de tratamiento de las aguas residuales. En algunos casos, están provistos de un tanque de almacenamiento a continuación del alivio, con el propósito de almacenar los contaminantes provenientes del primer lavado de la época de lluvias, el cual puede arrastrar concentraciones mayores de contaminación.

Los aliviaderos deben permitir que el caudal de aguas residuales en tiempo seco continúe por la red hasta la planta de tratamiento o lugar de disposición final, pero durante determinados eventos de precipitación y escorrentía asociada deben derivar o aliviar lo que les corresponda de aquella porción en exceso a la capacidad de la red aguas abajo o la capacidad de la planta de tratamiento.

Tabla 1. Distribución de tipos de aliviaderos.

La localización de las estructuras de alivio debe estar en función de la configuración del terreno y de la posibilidad de derivar los caudales al cuerpo de agua receptor sin causar problemas de inundaciones de áreas aledañas. Estas estructuras usualmente están contenidas en cámaras de inspección convencionales, de lo contrario pueden ir en estructuras especiales cuyo diseño debe estar plenamente justificado.

La importancia o trascendencia de estas estructuras radica en que de su buen funcionamiento depende el del resto del sistema, son componentes cruciales de las redes de alcantarillado. A tal punto llega su importancia, que en el año 2004 debían mantenerse los aliviaderos en buen funcionamiento para poder dar cumplimiento a la política del Sistema de Gestión de la Calidad, SGC, de la Subgerencia de Aguas Residuales de EPM, en cuanto a la excelencia en la prestación integral de los servicios públicos domiciliarios.

75

De esta manera, en EPM su funcionamiento y operación es monitoreado periódicamente, por medio del programa denominado “Mantenimiento Preventivo de Aliviaderos”, MAPRA, que opera desde el año 2001. Además de realizar el mantenimiento, la función de este programa,es verificar periódicamente cómo está funcionando cada una de las estructuras del sistema, para lo cual se establecieron las rutas de revisión. El programa clasifica automáticamente cada una de las estructuras en alguno de los siguientes grupos: excelente, bueno, criticado e investigado, de acuerdo al histórico acumulado del estado en que se encuentra en cada una de las revisiones.

Los estados de funcionamiento en que puede encontrarse un aliviadero en la revisión periódica, son: normal, cuando se encuentra trabajando en óptimas condiciones hidráulicas; obstruido, aquel que se encuentra taponado con basuras, pero que al hacerle limpieza queda funcionando en forma normal (también se toma como aliviadero obstruido si está rebosando por causa de un atasco en la red de residuales aguas abajo, pero que al hacerle limpieza queda

funcionando en forma normal); taponado, al que se le ha bloqueado la salida de aguas residuales intencionalmente para evitar inundaciones o para la realización de trabajos; sedimentado, cuando en el aliviadero se encuentra acumulación de arenas y sedimentos que impiden el normal funcionamiento del mismo; vertiendo cuando en tiempo seco, sin lluvia y sin sedimentos, se presenta rebose permanente de las aguas residuales por encima de la cañuela o por la salida de aguas lluvias dependiendo del tipo.

Los aliviaderos clasificados como excelentes son aquellos que en los últimos doce meses han presentado un funcionamiento normal igual al 100%, los buenos entre el 80% y el 99.9%, los criticados entre el 50% y el 79.9% y los investigados o en reparación son aquellos en los cuales el aliviadero presenta alguna de las siguientes condiciones: taponamiento temporal o permanente por trabajos de reparación, por ejecución de obras o por mal funcionamiento o problemas de inundación aguas abajo, sedimentación continua superior al 50% de las revisiones en los últimos doce meses o estructuras que permanecen como “aliviadero criticado” por más de seis meses.

Gráfico 2. Clasificación de aliviaderos .

76

Dosier: saneamiento

En el año 2010 uno de los mayores problemas que se presentaron en el funcionamiento de los aliviaderos y que llevó a su rediseño, fue el cambio brusco entre el tipo de flujo a la entrada del aliviadero y el trayecto por la cañuela, lo cual produjo obstrucciones, taponamiento en la red de aguas residuales, vertimiento de aguas residuales a las fuentes de agua y sedimentación, según la combinación de los flujos.

El 83% de los aliviaderos están clasificados como excelentes y buenos, concluyendo que están funcionando bien. El resto, que representa el 17%, está clasificado en criticados e investigados. El vertedero transversal es el que menos reportes tiene en la clasificación de aliviaderos criticados y en reparación o investigados. Los que más reportes presentan como criticados e investigados son los de tipo cañuela elevada; y se observa que la obstrucción es el problema más frecuente en este tipo de aliviadero.

Las cuencas con mayor número de aliviaderos clasificados como criticados son:

Santa Elena, El Molino, La Hueso y La Bermejala, y los de mayores números clasificados para investigación son Santa Elena y La Bermejala. Todas estas cuencas están ubicadas en el municipio de Medellín.

Santa Elena, El Molino, La Hueso y La Bermejala, y los de mayores números clasificados para investigación son Santa Elena y La Bermejala. Todas estas cuencas están ubicadas en el municipio de Medellín.

Si se hace un análisis por zonas, en la sur la mayoría de las redes son separadas, por lo tanto no hay muchos aliviaderos. A diferencia de esta, las zonas centro y norte son las que tienen mayor longitud de redes combinadas y, por ende, mayor número de aliviaderos. Las cuencas El Molino y La Bermejala se encuentran ubicadas en la zona norte y Santa Elena y La Hueso en la zona centro.

Figura 2. Esquema de vertedero transversal.

í

77

3. Pautas para optimizar el diseño de aliviaderosDentro de las alternativas estudiadas para mejorar el funcionamiento de los aliviaderos existentes y para ajustar los parámetros de diseño de aliviaderos nuevos, están:

3.1 Parámetros del RAS

Este reglamento señala los requisitos que deben cumplir las obras que se utilicen en la prestación de los servicios públicos domiciliarios de acueducto, alcantarillado y aseo y sus actividades complementarias en el territorio colombiano. Establece que para el dimensionamiento de los aliviaderos se deben tener en cuenta aspectos como caudal de alivio, frecuencia de alivios, volúmenes esperados de alivio, capacidad del curso o cuerpo de agua receptor para asimilar las cargas contaminantes y volúmenes de agua de alivio, costos económicos de sistemas combinados y comportamiento hidráulico, entre otros.

Figura 3. Distribución de zonas en el Valle de Aburrá.

ó

78

Dosier: saneamiento

3.2 Normas para redes de saneamiento del canal de Isabel II, versión 2006.

Estas normas constituyen el referente técnico preceptivo para el diseño y construcción de infraestructuras hidráulicas en el ámbito de la Comunidad de Madrid, España.

Para el diseño de aliviaderos proponen varios elementos a tener en cuenta en los diseños de aliviaderos tales como: el caudal combinado de entrada en función del caudal de aguas residuales, la población existente y proyectada en el sector de influencia, coeficientes de dilución, tanques de almacenamiento y su mantenimiento y los elementos limitadores de caudal (compuerta o válvula) que regulen (incluso en su totalidad) el paso del caudal hacia la red de aguas residuales situada aguas abajo.

3.3 Normas de diseño de sistemas de alcantarillado de EPM

Presentan mejoras para tener en cuenta en los diseños de nuevos aliviaderos de vertederos laterales o cañuela elevada y vertederos transversales; literatura de aliviaderos de vórtice, del cual no se tiene en la actualidad ninguno en operación en el Valle de Aburrá, y tanques de almacenamiento temporal.

4. Conclusiones Para el diseño de aliviaderos es necesario establecer las características hidrológicas de la localidad, en particular de los posibles cursos de agua receptores de los volúmenes de alivio.

Las características de los eventos de precipitación que puedan generar alivio de los colectores deben ser analizadas, al igual que la distribución temporal de la escorrentía en los lugares de alivio, para cuantificar los volúmenes de agua y cargas contaminantes derivados.

Por otra parte, las características hidráulicas, hidrológicas y de calidad de agua del curso de agua receptor deben ser determinadas con el fin de establecer su capacidad de recepción de los volúmenes aliviados. La legislación y normatividad vigentes sobre vertimientos a cuerpos de agua receptores requieren ser compiladas y estudiadas cuidadosamente. Además, la capacidad de la planta de tratamiento, si existe, y las posibles previsiones de aumento de capacidad, deben ser consideradas también para el dimensionamiento de las estructuras de alivio, toda vez que en sistemas combinados es necesario considerar el comportamiento integral de las redes de recolección, evacuación y alivio, junto con el tratamiento de las aguas residuales y la respuesta ambiental de los cuerpos de agua receptores. La localización de las estructuras de alivio debe estar en función de la configuración del terreno y de la posibilidad de derivar los caudales al cuerpo de agua receptor sin causar problemas de inundaciones de áreas aledañas. Evitar cambios bruscos de pendiente al inicio del aliviadero para no generar turbulencia, resaltos hidráulicos y represamientos que afecten el normal funcionamiento de los aliviaderos por el cambio en el régimen de flujo. Diseñar las estructuras de cañuela elevada, analizando los tipos de flujo a la entrada del aliviadero y en el vertedero. Así mismo, conservar el ángulo de entrada de las aguas combinadas con la salida de las aguas residuales. El análisis debe corresponder al flujo espacialmente variado. Utilizar vertederos laterales a ambos lados de la estructura para mejorar el comportamiento hidráulico de la estructura, en particular para evitar la formación de vórtices que puedan poner en suspensión sólidos del lecho de las tuberías. Complementar las estructuras de alivio de vertederos laterales con almacenamiento aguas abajo. Esto con el propósito de retener los sólidos flotantes y la contaminación que arrastran las primeras lluvias, que en muchos casos es superior al de las aguas residuales.

79

No se recomienda construir aliviaderos para caudales de aguas residuales iguales o menores de 5 l/s o para poblaciones menores de 1.000 habitantes, ya que exigen estructuras de dimensiones muy pequeñas y precisas, fáciles de colmatar y difíciles de construir. Considerar las alternativas encontradas en las normas nacionales e internacionales para el diseño de aliviaderos, como es el caso de los tanques de almacenamiento temporal y aliviaderos de vórtice propuestos en las Normas de Diseño de Alcantarillado de EPM e, incluso, construir una estructura piloto y monitorearla.

BibliografíaNormas para redes de saneamiento del canal de Isabel II, versión 2006, Madrid, marzo de 2006.

Reglamento técnico del sector de Agua potable y Saneamiento básico, RAS - 2000. Ministerio de Desarrollo Económico, Dirección de Agua Potable y Saneamiento Básico, Bogotá D.C., noviembre de 2000.

David Butler and John W. Davies, Urbain Drainage, Taylor and Francis Group, 2000

Seminario taller Diseño de alcantarillados de alta tecnología II, Cátedra Pavco-Uniandes, 2008

Hidramsa, Revisión de aliviaderos existentes en la cuenca La Picacha, 2002.

Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín, Metodología para la evaluación del balance hídrico en una cuenca sanitaria (cuenca de la quebrada La Picacha), 2010

Ana Cecilia Arbeláez Arboleda y Evelio Andrés Gómez Giraldo. Tesis Análisis de las estructuras de separación de aguas residuales en el Valle de Aburrá, Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, 1995.

Geovanny Buitrago Vasco. Tesis Identificación de indicadores y correlaciones de las variables de funcionamiento de los aliviaderos y propuesta de criterios de diseño para los sistemas de separación de aguas combinadas del sistema de alcantarillado de EPM. Politécnico Jaime Isaza Cadavid, 2003.

Pedro Felipe Mora Manrique, Tesis Construcción y análisis de un aliviadero como estructura hidráulica, bajo régimen de flujo supercrítico, Universidad de Los Andes, 2008.

EPM, folleto “Sistema de acueducto y aguas residuales”, diciembre de 2009.

80

Dosier: saneamiento

saneamientoLuceny Duque GómezÁrea Proyectos Aguas Residuales, EPMluceny.duque@epm.com.co

Aplicación eficiente de recursos financieros a los sistemas de

Palabras claveAguas residuales, alcantarillados, plantas de tratamiento de aguas residuales, RAS 2000, recursos hídricos, sistemas de saneamiento.

81

ResumenEn Colombia, antes de construir plantas de tratamiento de aguas residuales, como lo exige la ley, se deben construir y mantener los sistemas de recolección y transporte que conforman el alcantarillado.

La legislación debe tener en cuenta la limitación económica que padece la mayor parte de la población colombiana. Las pequeñas poblaciones nunca tendrán el servicio inobjetable que se precisa si solo cuentan con moderados recursos económicos. Pero si esas pequeñas comunidades tienen acceso a los servicios del personal y a los recursos técnicos propios de las grandes ciudades o las grandes cuencas de los ríos importantes, si se conforman grandes grupos servidos adecuadamente por laboratorios y redes de gran tamaño en las que se hagan economías de escala, será posible alcanzar niveles de calidad altos, con el servicio ofrecido a grandes comunidades.

El orden de prioridad que establece el Reglamento de Agua Potable y Saneamiento (RAS), para la aplicación eficiente de recursos financieros al desarrollo de infraestructura de los sistemas de acueducto y saneamiento, comprende:

Construcción de sistemas de potabilización de agua.

Construcción de redes de distribución de agua potable.

Construcción y sostenimiento de redes de alcantarillado.

Implementación de sistemas de manejo de residuos sólidos.

Construcción de plantas de tratamiento de aguas residuales.

Después de hacer una cuidadosa revisión de los planes de saneamiento y manejo de vertimientos de numerosos municipios del país, se obtuvo una imagen global preocupante. Los pueblos de Colombia consumen un agua apenas poco menos que potabilizada porque si bien en todos, o en casi todos, se dice que el acueducto cubre a un alto porcentaje de la población, en términos generales el sector rural no se atiende o es mal atendido y, lo que es más grave, en la mayoría de los casos no se lleva a cabo, ningún control que garantice la calidad ofrecida por las entidades prestadoras del servicio.

De los alcantarillados ni hablar. En la mayor parte son combinados, pero no es lo deseable. Las redes cuentan con más de 30 años de servicio. Los 20 como máximo que aconsejan la técnica y la prudencia, casi nunca se tienen. Frecuentemente, las tuberías son en parte o totalmente de arcilla cocida. Hoy en el mundo se impusieron el PVC y el concreto por razones técnicas, pero en nuestros municipios aún no se conocen.

En muchos casos, en las redes se detectan proporciones hasta del 40 o 50 por ciento de las tuberías en mal estado y no se contempla una próxima reposición del entramado defectuoso. El cubrimiento del alcantarillado siempre muestra un desfase con el acueducto; las aguas que no van al alcantarillado sanitario deambulan por las calles libremente o vierten puntualmente al arroyo más próximo. Se presentan grandes errores en cuanto a la construcción de cámaras de inspección y, en otras áreas técnicas, tuberías de gran diámetro caen en tuberías de menor diámetro; las cámaras de inspección con frecuencia son de ladrillo de barro, de sección cuadrada o rectangular, sin que se encuentre razón alguna para esto.

82

Dosier: saneamiento

El recaudo por alcantarillado es mayormente deficitario y alcanza solo cifras del orden de dos a cuatro millones de pesos. Este paupérrimo recaudo explica por qué no se planea en general la renovación ni la ampliación del alcantarillado local. El tiempo y los costos de la restauración y las ampliaciones necesarias de los alcantarillados de los municipios son grandes.

En su esfuerzo por acatar las leyes colombianas relacionadas con el medio ambiente, las poblaciones, asesoradas e impelidas por las corporaciones autónomas regionales, han contratado los estudios y la formulación de planes de saneamiento y manejo de vertimientos. Los consultores han realizado diagnósticos sobre el estado de las redes de acueducto y alcantarillado locales.

Planta de tratamiento de aguas residuales San Fernando.

83

Planta de tratamiento de aguas residuales San Fernando.

Los resultados de esos estudios han servido para fundamentar este trabajo. En ellos, después de dejar constancia sobre el mal estado de todas las aguas de servicio público municipales, se presenta un programa de trabajo encaminado a la construcción de las distintas etapas de una planta de tratamiento de aguas residuales.

Los planes de saneamiento y manejo de vertimientos hacen especial énfasis en la cobertura numérica de los servicios, independientemente de que sea de buena o mala calidad, consulten la salud y la economía de los hogares, sean sostenibles o no, conduzcan las aguas a lo largo de redes de materiales de óptima calidad, en buen estado y que cubran o no a todo el conglomerado.

En resumen, los planes de saneamiento y manejo de vertimientos de las diferentes poblaciones colombianas hacen un diagnóstico sobre la cobertura de los servicios y sobre el estado en que se encuentra la infraestructura asociada a los servicios de acueducto y alcantarillado, y luego, sin analizar sus hallazgos, recomiendan grandes inversiones en procesos de tratamiento, bien sea con la construcción de nuevas plantas o la reparación o reposición de las existentes. Los planes de saneamiento y manejo de vertimientos tienen en la política del Ministerio del Medio Ambiente un objetivo final inevitable: la planta de tratamiento de aguas residuales.

En primer lugar es importante reflexionar acerca de la capacidad económica de los habitantes de los pequeños poblados. En la investigación que se realizó sobre el inventario de servicios públicos, se observó que la estratificación socioeconómica de los municipios no pasa del estrato bajo, tal vez en algunos casos del medio, pero la gran masa de suscriptores de alcantarillado es misérrima y los ingresos familiares no superan generalmente el salario mínimo. Además, no pagan puntualmente las facturas de servicios públicos porque ese dinero les faltaría para comer.

Las plantas de tratamiento de aguas residuales no se construirán o no se cancelarán jamás si se hacen con recursos locales, y de construirse tampoco podrán funcionar correctamente. Los ingresos de la tesorería local difícilmente estarán en condiciones de atender el pago de técnicos, laboratorios, repuestos, intereses sobre el capital invertido y todos los demás aspectos que tienen que ver con su instalación y funcionamiento. Los informes acerca del estado de las plantas ya construidas en pequeños caseríos, corroboran esta afirmación.

Frente a la reglamentación excesivamente coercitiva que regula los vertimientos, es urgente reestudiar el impacto que sobre cada arroyo, quebrada, lago, mar o gran río impone la carga contaminante de una o varias poblaciones ribereñas próximas. Es absolutamente imperioso que se demarque una escala equilibrada de prioridades. Las corrientes de agua, en tanto recorren su lecho se oxigenan, y si la carga es menor, comparada con el caudal del río, se renueva por su propia inercia recuperadora. Se debe salvar el volumen finito de agua dulce, pero en aquellos casos en que es postergable un tratamiento costoso de las aguas residuales entregadas por una aglomeración urbana dada, dicho tratamiento por supuesto debe limitarse a las etapas absolutamente inevitables.

Dentro de este orden de ideas cabe hacerse algunas preguntas:

¿Por qué no se piensa en que el alcantarillado esté en buen estado? ¿De qué sirve una planta de tratamiento de aguas residuales que solo recibe y descontamina una porción mínima de todo el caudal contaminado? ¿No sería más importante reponer las redes dentro de los tiempos justos de vida útil que embarcarse en nuevas inversiones, de las cuales no se verá el lucro porque nunca serán funcionales y si llegaran a serlo ya no operarían los sistemas de tuberías conexos?

En el país, por razones difícilmente explicables, existe una presión agobiante para que obligatoriamente se realice el tratamiento de las aguas residuales.

84

Dosier: saneamiento

La norma RAS 2000 regula la escala que debe recorrerse para aplicar correctamente y en un adecuado orden de precedencias los escasos recursos económicos. En ella, después de atender a la provisión de acueductos en todas las comunidades urbanas y rurales, grandes y pequeñas, se establece también un régimen sobre alcantarillados.

Cuando se trata de los servicios públicos, la primera prioridad es el agua y potable, libre de sustancias y microorganismos nocivos. Por lo tanto, al programar las inversiones públicas la prioridad absoluta se refiere a su provisión y su purificación. En cualquier población la prelación incondicional está demarcada por un acueducto, la planta de potabilización y unas redes de distribución del líquido.

Satisfecha esta obligación, el siguiente paso debe ser la búsqueda de la salud. Las aguas residuales contienen en germen un sinnúmero de enfermedades. El alcantarillado sanitario es sin duda una segunda posición en la secuencia de prioridades para la inversión en los servicios públicos. Allí, casi tanto como en el suministro de agua potable, se concentra la urgencia demarcada por la salud de la población.

Cada vez más se toma conciencia por parte de ingenieros y administradores públicos, de que tubos rotos que permitan el escape de los fluidos que los recorren, zanjas abiertas por largos lapsos, aguas lluvias que desbordadas colman alcantarillados, sanitarios y calles, en fin, todo el incordio que implica el deterioro de una red de alcantarillado y también la reconstrucción de uno defectuoso u obsoleto, requiere soluciones radicales y válidas técnica y económicamente. En la mayoría de las localidades del país, las redes de alcantarillado son viejas y están en pésimo estado. En esta forma ellas no conducirían adecuadamente y en su totalidad las aguas servidas hacia las plantas de tratamiento.

Cabe una crítica a la interpretación que se ha dado por parte del Gobierno Central a la distribución del recurso económico, sugerida por el RAS 2000. Esta interpretación implica que en primer lugar se atienda la dotación de agua potable de las comunidades municipales y luego, una vez cumplido lo anterior, se emprenda la construcción de redes de alcantarillado. Sin embargo, lo técnica y económicamente correcto sería emprender en el mismo momento los trabajos de distribución de agua potable y recolección de aguas residuales.

Vale recordar que tanto las redes de acueducto como las de alcantarillado, sean estas combinadas o separadas, deben ocupar espacios muy próximos en las mismas vías. La sana economía y una mejor lógica indican que por esta razón, las dos redes hasta donde sea posible, deben extenderse en el mismo tiempo, para evitar demoler repetidamente las carpetas y las bases de las vías pavimentadas. Así se obtendrá una economía de escala benéfica y se cuidará la salud de la población, pues tan necesario es el consumo de agua potable como urgente es el retiro de las aguas contaminadas. Por otra parte, la destinación obligada de los recursos provenientes de la tasa retributiva al tratamiento de aguas residuales, desconoce todas las demás urgencias: cubrimiento total o próximo al total de redes de alcantarillado, restauración de redes defectuosas o inservibles, construcción de colectores, etc. Es lamentable que así se haga, sin pensar y responder a todos y cada uno de los interrogantes que se han formulado anteriormente.

Las exigencias de la legislación colombiana y de las corporaciones regionales desconocen graves prioridades tales como una mayor necesidad de alcantarillados con redes en buen estado y de buena calidad, antes que un crecido número de plantas de tratamiento de aguas residuales.

Las plantas de tratamiento de aguas residuales son una necesidad, pero antes el alcantarillado debe ser funcional, cubrir un porcentaje importante de la comunidad y haber sido renovado oportunamente. Para que sea posible el tratamiento de un agua residual, es necesario llevarla desde el lugar en que fue contaminada hasta la planta; esto hace que no pueda desconocerse la importancia de las redes de alcantarillado, que son las encargadas de realizar este traslado. Por esta razón, primero debe construirse un alcantarillado que cumpla rigurosamente las pautas de un buen diseño que debe incluir la ubicación futura de la planta, para que las redes confluyan hacia la posición de aquella. De esa forma se evitan modificaciones innecesarias.

85

Aprendizaje con el programa de saneamiento del río Medellín

Es oportuno comentar lo que ha hecho EPM en Medellín a lo largo de todo su recorrido por la ingeniería del agua. Comenzó su vida de servicio proporcionando agua potable a toda la población; posteriormente concentró sus esfuerzos en la construcción de alcantarillado sanitario y hoy ha comprendido la necesidad de “Incorporar todos los componentes al desarrollo integral de los sistemas de aguas.”

En la siguiente imagen se muestra la evolución del enfoque en el manejo de los sistemas de aguas en EPM.

1

2

3

•Énfasis en abastecimiento de agua.• Descargas de aguas residuales al recurso hídrico sin tratamiento.•Deterioro en condiciones de salud y de ambiente.

Paradigma:“Aplicar recursos escasos al sistema de acueducto sin tener en cuenta un desarrollo integral con el agua residual.”

•Énfasis en sistemas de alcantarillado.• Sistemas de recolección, transporte, y tratamiento de aguas residuales.•Posible ineficiencia en la aplicación de recursos financieros

Paradigma:“Una vez desarrollado el acueducto, continuar con infraestructura de aguas residuales (redes y plantas) para obtener saneamiento.”

•Concepto de desarrollo integral del sistema de acueducto y alcantarillado.• Manejo integral de las aguas residuales por cuencas.•Aplicación eficiente de recursos financieros con resultados medibles.

Cambio de paradigma:“Incorporar todos los componentes al desarrollo integral de los sistemas de aguas.”

86

Dosier: saneamiento

Conclusiones

En Colombia antes de tratar las aguas residuales que aún no llegan a unas plantas que por ahora no se pueden financiar, hace falta renovar las redes de los servicios públicos, reconstruirlas y complementarlas. Hoy, en lo que se debe invertir es en colectores, en reposición de redes de alcantarillado y en su rehabilitación, teniendo en cuenta todos los progresos en asuntos de materiales y técnicas constructivas, alcanzados en la segunda mitad del siglo XX y en la primera década del siglo XXI.

Es muy importante que los legisladores consulten la realidad socioeconómica del país, pues es inadmisible que se olviden de la condición de penuria de los habitantes rurales o semi rurales de Colombia.

Con igual autoridad a la que permitió obligar a todos los conjuntos humanos del país a contratar asesorías costosas para formular planes de saneamiento y manejo de vertimientos, hoy debe legislarse obligando a todos los entes públicos que recaudan fondos y solicitan auxilios nacionales o préstamos internacionales, a destinar el tesoro que gestionan a inversiones según un ordenamiento sensato que permita el desarrollo integral de los sistemas de acueducto y saneamiento.

EPM, empresa prestadora de los servicios públicos en Medellín, cambió de paradigma y dentro de su nueva visión optó por “Incorporar todos los componentes al desarrollo integral de los sistemas de aguas.”

Las plantas de tratamiento sí se pueden construir, pero no en el futuro inmediato. Primero hay que pensar en acueducto y alcantarillado sanitario. Colombia está en mora de prescindir de redes obsoletas, semidestruidas, taponadas, destrozadas. Todas las aguas para el consumo humano deben ser tratadas y es urgente, además, garantizar que el tratamiento sea completo. El RAS 2000 así lo exige. Parece ser que si se lee con detalle la legislación colombiana en la materia, sí hay una prioridad clara a favor de aguas potabilizadas y sometidas a control permanente.

El alcantarillado sanitario también ocupa un lugar de privilegio dentro del RAS. Más aún, casi se dice claramente sobre la simultaneidad deseable en la construcción de las dos redes. Si las pequeñas poblaciones tienen acceso a los servicios del personal y a los recursos técnicos propios de las grandes ciudades o las grandes cuencas de los ríos importantes, si se conforman grandes grupos servidos adecuadamente por laboratorios y redes de gran tamaño, en las que se hagan economías de escala, será posible alcanzar niveles de calidad altos.

Finalmente, es prioritario tener como premisa de planeación de las inversiones en los sistemas de aguas, el concepto de cuencas en un ámbito geográfico más allá del municipio para repartir unos recursos que son muy escasos. Esto implica hacer compatible la legislación con la realidad del país y con la sana lógica.

La educación debe ser una prioridad del grupo de usuarios de los alcantarillados, con el fin de ilustrarlos sobre su cuidado.

Bibliografía

Decreto 1541 de 1978

Decreto 3100 de 2003

Resolución 1433 de 2004

Resolución 2145 de 2005

Decreto 3930 de 2010

Plan de saneamiento y manejo de vertimientos de Gómez Plata

Plan de saneamiento y manejo de vertimientos de Betania.

Plan de saneamiento y manejo de vertimientos de Durania.

Plan de saneamiento y manejo de vertimientos de San Sebastián de Buenavista.

Plan de saneamiento y manejo de vertimientos de Tame.

Plan de saneamiento y manejo de vertimientos de Guatavita.

Plan de saneamiento y manejo de vertimientos de San Andrés.

Plan de saneamiento y manejo de vertimientos de La Llanada.

Programa de saneamiento del río Medellín. Empresas Públicas de Medellín E.S.P. 2008.

Documento Conpes 3177. Dirección Nacional de Planeación. República de Colombia. Bogotá, julio de 2002.

“Estudio nacional del agua, un compendio sobre el recurso hídrico en Colombia”. Domínguez Calle Efraín Antonio. Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales – IDEAM. Noviembre de 2005.

87

Memorias 44° Congreso Internacional Acodal Conflicto ambiental urbano Medellín, 2001.

“Tratamiento de aguas residuales. Teoría y principios de diseño”. Romero Rojas, Jairo Alberto. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería. Tercera edición. Febrero de 2004.

“Reglas para la operación de alcantarillados”. Trabajo elaborado con el auspicio de Capre-Andesapa, OPS/CE. Asociación Alemana de Saneamiento. Pág. 33-52. Acodal- No. 154, enero - marzo de 1993.

“Nuevos avances en el tratamiento anaerobio de las aguas negras”. Por Lauro Horacio Arturo, Ingeniero Civil M.S. Pág. 5-30. Acodal No. 123, marzo – abril de 1985

“La importancia del tratamiento de las aguas residuales desde la perspectiva sanitaria y ambiental”. Ingeniero Sergio Rolim Mendonia, Msc, asesor en salud y ambiente de la OPS/OMS, Colombia. Pág. 42-51. Acodal, No. 180, septiembre de 1998

“Renovación y rehabilitación de redes de distribución de agua potable y de alcantarillado.” Artículo: XX Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cuba, septiembre de 2002 y XV Seminario Nacional de Hidráulica e Hidrología. Agosto de 2002. Coautores: Juan Saldarriaga, Humberto Ávila y William Clavijo.

“Aspectos futuros de los componentes de un sistema de alcantarillado”; Artículo: XX Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cuba, septiembre de 2002 y XV Seminario Nacional de Hidráulica e Hidrología. Agosto de 2002. Coautores: Humberto Ávila y Juan Saldarriaga.

88

Proyectos

Wilson Prado RendónIngeniero electricistaÁrea Ingeniería Distribuciónwilson.prado@epm.com.co

Wilson Omar Ardila GutiérrezIngeniero electricistaÁrea Ingeniería Distribuciónwilson.ardila@epm.com.co

Carlos Mario Galeano Garcés.Ingeniero electricista Área Ingeniería Distribución”carlos.galeano@epm.com.co

Diseño e implementación de la norma técnica RA8-025 para el programa de electrificación rural

Antioquia Iluminada

Palabras claveRedes eléctricas primarias, redes eléctricas secundarias, redes de acometidas, redes internas, tensión nominal, transformadores de distribución.

89

ResumenEn el siguiente trabajo se presenta el diseño e implementación de la norma técnica RA8-025 para el programa de electrificación rural denominado “Antioquia Iluminada”. El propósito de esta norma es establecer los criterios de diseño eléctrico y mecánico a bajo costo de las redes eléctricas primarias y secundarias, acometidas y redes internas para las instalaciones de los clientes rurales de EPM .

La RA8-025 es el resultado de un trabajo interdisciplinario y colaborativo de todas las personas de las diferentes dependencias de la Subgerencia Redes Distribución

de EPM, del proyecto “Antioquia Iluminada” y de algunos proveedores de equipos y materiales, respetando las exigencias funcionales, optimizando los recursos financieros y humanos, así como los requerimientos de seguridad tanto para EPM como para el cliente, para entregar el servicio de energía eléctrica a un menor costo y a un mayor número de clientes rurales.

Introducción

En el año 2009, EPM inició el Proyecto denominado “Antioquia Iluminada” que busca ampliar la cobertura rural en el servicio de energía eléctrica del 79.9% a más del 95% en el sector rural de este departamento (ver gráfico). En total serán 74.566 instalaciones, con una inversión de $ 381.702 millones (desde el año 2009-2013) para mejorar la calidad de vida de los clientes e impulsar el desarrollo económico de estas poblaciones.

Gráfico 1. Cobertura en el sector rural de Antioquia. Año 2007Fuente: Área Planeación Transmisión y Distribución Energía.

90

Proyectos

Dentro de las prioridades del proyecto está la prestación del servicio de energía eléctrica a las viviendas, con base en criterios de mínimo costo y baja cobertura en los municipios atendidos por EPM. Para lograrlo, EPM construye las redes de uso general con cargo a recursos de fondos (Ministerio de Minas y Energía y aportes de terceros) y a la tarifa. Las acometidas, la red interna y los medidores se financian a los usuarios finales que lo requieran, mediante el sistema de Habilitación Viviendas (HV).

De esta manera, y teniendo presente que los márgenes de rentabilidad de la distribución del servicio de energía eléctrica se reducen cuando los consumos promedios son de 56 Kwh por instalación, al tiempo que las inversiones en infraestructura son importantes frente a la potencia demandada (tal es caso de los clientes ubicados en zonas rurales del departamento de Antioquía.), el Área de Ingeniería de la Subgerencia Redes Distribución de EPM, en conjunto con las áreas operativas, el Área de Electrificación Rural y algunos proveedores se dieron a la tarea de desarrollar una norma técnica para regular, en forma clara y precisa, los criterios de diseño eléctrico y mecánico de las redes eléctricas primarias, secundarias, acometidas y redes internas de las instalaciones, de tal modo que faciliten la reducción de los costos y permitan aumentar la calidad del servicio de energía eléctrica de los clientes de las zonas rurales.

De igual manera, se busca preservar la seguridad de las personas y bienes de la zona de influencia, prevenir todo tipo de riesgos en la prestación del servicio, buscar el correcto funcionamiento de las instalaciones de acuerdo con el uso previsto y, finalmente, cumplir con la normatividad nacional vigente como el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE), el Código Eléctrico Colombiano NTC 2050 y demás especificaciones técnicas de materiales y equipos de EPM.

Metodología

Etapa 1. Propuesta

En esta primera etapa el Equipo de Ingeniería Proyectos definió el objeto, alcance, campo de aplicación y características eléctricas de la norma identificada como RA8-025 y titulada “Criterios de diseño de la red de electrificación rural”, como se indica a continuación:

Objeto: establecer los criterios de diseño eléctrico y mecánico de las redes rurales primarias y secundarias del área de influencia de EPM, de acuerdo con lo establecido por la Resolución CREG 070 y el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE).

Alcance: la selección del transformador, las redes de distribución primaria, y secundaria, la acometida y la red interna para atender la demanda de los usuarios finales en las zonas de rurales de EPM, garantizando así una excelente de calidad técnica y operativa con criterios de eficiencia económica.

Campo de aplicación: esta norma aplica a todas las instalaciones eléctricas nuevas, ampliaciones y remodelaciones que se realicen en redes de distribución rural de uso general o particular ubicadas fuera de los perímetros urbanos de los municipios.

Características eléctricas: El sistema de distribución eléctrico tiene las siguientes características técnicas:

Tensión primaria: 3.200 V. y 7.620 V.

Tensión nominal sistema monofásico bifilar: 120 V.

Tensión nominal sistema monofásico trifilar: 120/240 V.

Etapa 2. Preparación del documento técnico inicial y desarrollo por parte del grupo de trabajo

En esta etapa se preparó el documento técnico con la definición de los criterios de diseño, equipos y materiales a emplear. (Tablas 1 y 2)

En la Tabla 1 se presenta la demanda diversificada (Kva/usuario) para el sector rural, la cual es igual a la relación entre la demanda máxima individual y la demanda máxima promedio por consumidor para n consumidores.

Para encontrar la curva se tomó como base la información de las curvas de carga diaria que es el resultado de mediciones de campo efectuadas a los transformadores de distribución seleccionados en la muestra, solicitada por la Comisión de Regulación de Energía y Gas para las instalaciones ubicadas en zona rural entregadas a la CREG. La muestra seleccionada presentó un nivel de confianza del 95% con un error máximo del 10 %, con una buena representatividad para el tipo de instalación.

Con esta misma información se determinó el factor de carga, definido como la razón entre la demanda promedio en un intervalo de tiempo dado y la demanda máxima observada en ese mismo lapso. Además, se calculó la cargabilidad máxima y promedio de los transformadores asociados.

91

Tabla 1.

92

Proyectos

Componente Descripción

Regulación

Parámetros eléctricosconfiguración de

la red

•Alimentadores a 13,2 KV.•Ramales monfásicos a 7,6 KV.•Ramales secundarios trifilares a 120/240 V•Ramales secundarios bifilares a 120 V

•Primaria =3%•Secundaria=3%•Rango de voltaje=+/-10%

Capacidad de lostransformadores

monofásicos

Calibre de losconductores

Postería

Medidor deenergía

Acometida y redinterna

materiales y equipos

1 ≤200 ≤690 >690

2 ≤110 ≤390 >390

3 ≤90 ≤300 >300

4 ≤60 ≤230 >230

5 ≤50 ≤180 >180

•3 KVA•5 KVA•10 KVA•15 KVA

•Líneas 13,2 KV. 7.6 KV=ACSR No 2 •Ramales secundarios trifiales 120/240 V AWG. Ramales secundarios bifiales 120 V= duplex 4 No AWG•Líneas 13,2 KV 7,6 KV=AAAC No 2 serán utilizadas zonas costeras.•Acometida cable concéntrico 1x10+10 AWG

•Postes de madera de 10m -750Kgf para líneas primarias.•Postes de madera de 8m menor a 510 kgf para redes secundarias.•Postes de madera de 8m para soprte de red interna del cliente.•Postes de fibra 8 y 10m -510gf para las líneas primarias y secundarias en zonas costeras

Se pueden usar postes metálicos a de fibra siempre que obtengan un beneficio equivalente osuperior a emplear los postes de madera y cumplan con los requerimientos del RETIE

•Medidor monofásico bifilar clase 1, 120 volt-10(60) A•Se instala integrador cuando en un transformador se tengan dos o mas clientes.•La caja para el medidor debe de ser material plástico reforzado.

Los materiales y equipos suministrados por particulares o firmas contratistas para serinstalados en el sistema de EPM, deben ser nuevos y cumplir con el RETIE, (certificado de producto),además de cumplir con las especificaciones y características técnicas garantizadas de EPM.

Breaker 40A - 3KA-cable concéntrico 1x10+10 AWG THHN. PAse entre contador y tablero internoen alambre de cobre 1x10+10 AWG THHN. Un circuito interno conformado por:

Un tablero para 3 circuitosUn breaker de 20A-3KA

•Cable flexible tipo NM No. 12 AWG y No. 14 para alambrado.•Un tomacorriente doble con polo a tierra 15A, 150V (NTC 1650)•Un interruptor 10A, 110 (NTC1337)•Un portalámpara de policarbonato.•Cajas plásticas de sobreponer 2x4

Se seleccionan de acuerdo con la tabla demanda diversificada diseñadapara el sector rural. Se localizarán en sitios con concentración de carga

DPX No. 4m TPX No. 4m ACSR No. 2m

SecundariaUsuarios Secundaria Primaria

Para la selección del conductor tanto de la red primaria como secundaria se realizaron las diferentes sensibilidades con el fin de encontrar el más óptimo y que cumpliera con los criterios de regulación, el costo de las pérdidas de energía, las características de los conductores, cargas de los clientes, los costos de los equipos, materiales y mano de obra (ver Tabla No. 2). Así mismo, se anexa el esquema de las normas que aplican para las redes de electrificación rural que se revisaron.

Tabla No. 2: Criterios técnicos utilizados, estándares de equipos de materiales y equipos de red electrifcación rural.

93

Esquema de redes de electrificación rural.

94

Proyectos

Etapa 3. Validación

En esta etapa se realizaron consultas con los diseñadores, constructores e interventores con el fin de hacer los ajustes respectivos a la norma. Igualmente, el 29 de mayo de 2009, se dispuso para la aprobación por parte de la Subgerencia Redes de Distribución de EPM.

Etapa 4: Etapa de publicación

Se publicó en la página web de EPM y se inició el proceso de divulgación a las áreas operativas, contratistas, diseñadores e interventores.

Para una mejor ilustración, se presentan fotografías de redes que cumplen con los aspectos técnicos de la norma.

Beneficios de la implementación de la norma técnica RA8-025

Reducción de costos por instalación, aproximadamente en un 25%.

Desarrollo de actividades que se puedan verificar frente a un estándar y dejar evidencias objetivas que permitan adelantar los procesos de diseño, construcción e interventoría.

Permite formalizar y estandarizar los equipos y materiales requeridos para la electrificación rural, lo cual deriva en la estabilidad de las acciones y en un entendimiento común de los procesos implicados como son compras, presupuestos, contratación y todo el personal involucrado.

Frente a un cambio en las políticas en esta materia, permite un mayor entendimiento y comunicación de estos procesos en las diferentes dependencias de EPM.

Tansporte de transformador de energía ( La Quiebra Ebéjico,Occidente).

Montaje de transformador de distribución y medidor de energía (La Quiebra Ebéjico, Occidente).

Montaje de transformador e instalación de medidores en La Dieciocho, Zaragoza, Bajo Cauca.

Red interna para instalación localizada en La Dieciocho, Zaragoza, Bajo Cauca.

95

Bibliografía[1] Norma técnica, criterios de diseño de la red de electrificación rural, Normas técnicas de EPM. Diciembre de 2008.

[2] Norma técnica, instalación domiciliaria residencial. Caso 3b: instalación de acometida aérea rural. Diciembre de 2008.

[3] Reglamento técnico de instalaciones eléctricas. Ministerio de Minas y Energía. Agosto de 2008.

[4] Código eléctrico colombiano NTC 2050. Primera actualización, 2002.

[5] Normas de EPM publicadas en la web http://www.epm.com.co/epm/web/serv_prove_normasenergia_1.html

[6) Comisión de Regulación de Energía y Gas. Resolución 070 de 2002.

96

Medio ambiente

EPMAdriana María Torres VelásquezProfesional Ambiental - Área Hidrometría e Instrumentación, Generaciónadriana.torres@epm.com.co

Aquiles Echavarría EusseLíder Operación y Mantenimiento - Área Análisis e Ingeniería, Generaciónaquiles.echavarria@epm.com.co

Inés Helena Vargas CadavidProfesional Técnico Distribución - Área Ingeniería Distribuciónines.vargas@epm.com.co

Judith Martínez TabordaProfesional Ambiental - Área Proyectos Transmisiónjudith.martinez@epm.com.co

Sandra Milena Puertas ArangoProfesional Ambiental - Subdirección Medio Ambientesandra.puertas@epm.com.co

Gestión de PCB en

Palabras clavePCB, residuos peligrosos, manejo de residuos peligrosos, gestión ambiental

Agradecimientos: los autores agradecen a Isabel Cristina Pulgarín Monsalve, del Área Proyectos Generación, y a María Elena Díez Nieto y William Cossio Quintero del Área Planeación Transmisión y Distribución, por el suministro de información y el recuento histórico de su gestión en el tema.

Toma de muestra de aceite dieléctrico para análisis de PCB en equipo de distribución.

97

ResumenEn cumplimiento de su política ambiental y en especial de sus lineamientos relacionados con la legislación ambiental (realizar una gestión ambiental con enfoque preventivo, hacer uso racional de los recursos que emplea, mejorar continuamente el desempeño ambiental en el marco de las posibilidades y promover la cultura ambiental, especialmente entre sus empleados), EPM ha desarrollado diversas acciones para la gestión adecuada de sus PCB, enmarcadas en las cuatro líneas estratégicas establecidas en el Plan Nacional de Aplicación del Convenio de Estocolmo: identificación, prevención, reducción del riesgo y eliminación.

La ejecución de estas acciones se ha logrado gracias al esfuerzo, dedicación y compromiso ambiental de los funcionarios y directivos de diversas dependencias de EPM, para lo cual ha sido clave la articulación con diferentes organizaciones, agremiaciones e instituciones de orden nacional, interesadas por la gestión integral de estos residuos peligrosos.

Introducción

Los PCB son compuestos sintéticos fabricados por el hombre desde 1929. Son viscosos, no biodegradables, no inflamables y presentan un elevado punto de ebullición; tienen propiedades como disipadores de calor y aislantes eléctricos, por lo cual son empleados en transformadores, interruptores, condensadores, bobinas y otros equipos eléctricos. Debido a su impacto sobre la salud y el medio ambiente, desde finales de los años setenta la fabricación y utilización de los PCB está prohibida o sometida a restricciones en muchos países

Los PCB hacen parte de los denominados Contaminantes Orgánicos Persistentes – COP, regulados en el mundo por el Convenio de Estocolmo, suscrito en el año 2001 y ratificado por Colombia mediante la Ley 1196 del 5 de julio de 2008. Su implementación se está realizando mediante el Plan Nacional de Aplicación (PNA), coordinado por el Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial (MAVDT), con el propósito de que al año 2025 todos los PCB existentes en Colombia estén fuera de operación y para el 2028 hayan sido eliminados del territorio nacional.

Gestión de EPMDesde hace más de una década, en cumplimiento de los principios de Responsabilidad Social y Ambiental, EPM participa en mesas de trabajo sobre la gestión integral de PCB con otras empresas del sector eléctrico y el MAVDT. Durante este tiempo, la empresa implementó criterios y acciones para controlar el riesgo a la salud y al ambiente, además evitar la contaminación cruzada de equipos.

1. Primeras gestiones (década de los 90)

1.1 Diagnóstico de PCB en transformadores de potenciaEn el año 1991 fue realizado el primer inventario de transformadores de potencia en las centrales de generación y subestaciones de energía, con el propósito de identificar la presencia y concentración de PCB. En esa oportunidad, el Laboratorio Control Calidad Acueducto de EPM aplicó la prueba para PCB utilizando el método de cromatografía de gases. Los resultados fueron los siguientes:

En dos negocios (Generación y Transmisión) se inventariaron y muestrearon 83 transformadores de potencia.

Se determinó que cuatro transformadores de potencia, ubicado en la central hidroeléctrica Guatapé y que ya estaban fuera de operación, contenían altas concentraciones de PCB debido a que en su fabricación habían empleado Clophen (PCB puro). Estos transformadores se aislaron, se señalizaron y quedaron fuera de servicio de manera permanente.

Además se determinó que un transformador de potencia de una de las subestaciones de energía, ya fuera de operación, contenía Askarel (PCB puro). Este transformador fue aislado, señalizado y almacenado temporalmente.

98

Medio ambiente

1.2 Medidas de manejo para PCBEl Convenio de producción más limpia del sector eléctrico fue firmado en 1997 entre el Ministerio de Minas y Energía – MME, el Ministerio de Medio Ambiente (hoy Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial - MAVDT) y las empresas del CASEC (Comité Ambiental del Sector Eléctrico), por una vigencia de diez años. En ese marco, EPM participó en la elaboración del Manual de manejo de PCB para Colombia, trabajo que fue publicado en agosto de 1999.

Siguiendo las directrices establecidas en este manual, en 1998 se construyó una caseta en predios de la Central Hidroeléctrica Guatapé para el almacenamiento de equipos, aceites y otros elementos contaminados con PCB. Con estas acciones se redujo y controló el riesgo de contaminación ambiental y las afectaciones a la salud asociados a la manipulación de equipos y aceites con PCB.

Así mismo, en el año 2000 se eliminó en el exterior un transformador de potencia de gran tamaño del negocio Transmisión Energía, identificado con PCB en altas concentraciones.

2. Compromiso de las empresas del sector eléctrico para el periodo 2001-2007

El Ministerio del Medio Ambiente, actuando de manera proactiva (debido a que el Convenio de Estocolmo solo fue firmado por Colombia en el año 2006 y ratificado en 2008), creó el Comité Técnico COP en el 2002, del cual hicieron parte diversas organizaciones. Como parte de la dinámica de este Comité se realizaron varios talleres en los que se discutió la problemática y se definieron estrategias y acciones que permitieran cumplir con los compromisos del convenio.

El principal objetivo de este Comité fue la construcción de una primera versión del Plan Nacional de Aplicación -PNA- del Convenio de Estocolmo para Colombia, que comprendió diferentes planes de acción, entre ellos el de PCB.

Para abordar el tema de PCB, en este Comité se creó una mesa de trabajo cuya gestión se extendió hasta el año 2005, con la participación del MAVDT y de las empresas del sector eléctrico, entre ellas EPM. En este espacio se definieron los lineamientos y las principales acciones para soportar el Plan de Eliminación de PCB en Colombia, incluyendo los términos de referencia para la contratación del inventario nacional de PCB.

A finales del año 2005, EPM participó en el Inventario Nacional de PCB liderado por el MAVDT. En esta oportunidad la empresa aportó la información disponible hasta ese momento.

Paralelamente a esta gestión, en el marco del Convenio de producción más limpia se definieron algunos indicadores, entre ellos el de Manejo de PCB para los subsectores de Generación, Transmisión y Distribución, con el propósito de medir anual y quinquenalmente el porcentaje de transformadores y recipientes muestreados, así como los identificados con PCB y el manejo que se les estaba dando.

3. Mesa de trabajo de PCB (2008 - 2010)En el año 2008, una vez se expidió la ley que ratificó el Convenio de Estocolmo en Colombia, el MAVDT invitó a las empresas del sector eléctrico a retomar las actividades de la Mesa de trabajo de PCB. Fue en ese momento que se brindaron aportes para la segunda versión del Manual para el manejo de PCB, publicado en 2007, y se revisó y ajustó el Plan de acción para la eliminación de PCB, elaborado desde el 2005 y publicado finalmente en julio de 2010.

Además de estas actividades, el trabajo de la mesa en este periodo se centró en la construcción colectiva de la recientemente expedida Resolución 0222 del MADS de diciembre de 2011, que establece los requisitos para la gestión integral de equipos y desechos que consisten, contienen o están contaminados con PCB, que incluye entre otros asuntos, las metas para la identificación y eliminación, la presentación del inventario, el marcado de equipos y residuos, y las medidas para orientar el adecuado manejo de equipos o residuos contaminados con PCB y la reducción del riesgo. Como temáticas derivadas de la implementación de esta norma se diseñaron las competencias a certificar para acreditar conocimiento en la toma de muestras para el análisis de PCB.

4. Diagnóstico de PCB (periodo 2005 a la fecha)Teniendo en cuenta las señales y directrices del MAVDT y del sector eléctrico colombiano, entre los años 2005 y 2006 los negocios de Generación y Transmisión de Energía realizaron el inventario físico de los transformadores de potencia y otros equipos ubicados en las centrales y subestaciones de generación, que utilizan aceite dieléctrico para su funcionamiento, de acuerdo con los criterios establecidos en el Manual de manejo de PCB para Colombia del año 1999.

A finales del año 2005 y principios del año 2006 se realizó la caracterización de los aceites dieléctricos de los equipos inventariados para determinar presencia y concentración de PCB. Con este fin se contrató un laboratorio que empleó el método semicuantitativo Dexsil L2000-DX.

El contrato de análisis de laboratorio incluyó la capacitación de 15 funcionarios de las centrales que apoyarían la toma de muestras de aceites dieléctricos para determinar PCB. En esta capacitación se trataron, entre otros temas, una introducción al tema de PCB y las medidas de seguridad para la toma, embalaje y transporte de muestras; así mismo, se realizó un taller práctico.

99

Para verificar los resultados positivos para PCB obtenidos por el método semicuantitativo y conocer la concentración real de PCB en los aceites analizados, en el año 2007 se contrataron los servicios del otro laboratorio que aplicó la prueba cuantitativa de cromatografía de gases para PCB bajo la norma ASTM 4059.

Y fue también en el año 2007 cuando el Área Ingeniería Distribución de EPM realizó ajustes a su procedimiento de mantenimiento e inició, antes de cualquier intervención y aplicando la prueba cualitativa (KIT Clor-N-oil 50), el análisis de PCB a todos los transformadores recibidos. Para verificar los resultados positivos se aplicó la prueba cuantitativa de cromatografía de gases.

Con la integración energética regional en el departamento de Antioquia, que implicó la absorción de la Empresa Antioqueña de Energía – EADE, EPM recibió plantas de generación, subestaciones de transmisión y cerca de 60.000 transformadores de distribución, entre otros equipos que operaba esta entidad. Es de anotar que EPM ya contaba con igual número de transformadores de distribución antes de la integración, con lo cual duplicó su inventario.

A principios del año 2008 EPM revisó la información existente sobre PCB de sus transformadores de potencia (transmisión) y los recibidos de EADE (generación y transmisión), al tiempo que realizó una toma de muestras y adelantó la evaluación de las concentraciones de PCB en los equipos que no contaban con éstos análisis. En esta actividad se incluyeron también los transformadores que operaban en las plantas de potabilización y tratamiento de aguas.

Las pruebas fueron realizadas en los laboratorios de la Universidad Industrial del Santander -UIS- y en el laboratorio de la sede de Investigación Universitaria de la Universidad de Antioquia, que para el segundo semestre del año 2008 ya contaba con la prueba estandarizada de cromatografía de gases para PCB.

En el año 2008, como un producto de la articulación entre dependencias liderada desde la Subdirección Medio Ambiente de EPM para unificar las labores de diagnóstico y manejo de PCB, se obtuvo el procedimiento para la toma de muestras de aceite dieléctrico para análisis de PCB, el cual fue ajustado en 2009 y 2010 para incluir lo correspondiente a equipos utilizados para la distribución de energía.

En el año 2010 se puso en operación el laboratorio de cromatografía de gases en proceso de acreditación, con el cual se espera poder realizar las pruebas a los equipos de distribución aún no evaluados y a otros que se adquieran en EPM.

Los resultados de los equipos analizados con corte al 31 de diciembre de 2010 se presentan en la Tabla 1, donde además se muestra el número de equipos identificados con PCB con más de 50 ppm, a los que se les dio un manejo adecuado considerando los riesgos de contaminación ambiental y los riesgos sobre la salud (eliminación o almacenamiento).

Toma de muestras de aceite dieléctrico para análisis de PCB en equipo de distrubución (2010).

100

Medio ambiente

5. Medidas de manejo implementadas (1998 – 2011)

5.1 Medidas de carácter preventivo

De acuerdo con las actividades establecidas para la línea estratégica Prevención del Plan nacional de aplicación, las acciones en EPM se enfocaron en cuatro ejes:

Fortalecer los controles para evitar la compra de aceites con PCB, para lo cual la Subdirección Medio Ambiente, en asocio con la Unidad de Protección Social, gestionaron la Circular 1399 de 2009, donde se contemplan directrices para:

Incluir en los términos de referencia de contratos de adquisición de equipos o suministros de aceites exigencias de menos de 5 ppm de concentración de PCB en aceites, con sus respectivos certificados.

Toma de muestras para la confirmación de certificados a equipos o aceites nuevos, a costo del contratista.

Inspección en campo y pruebas de verificación de presencia de PCB a proveedores de aceites.

Establecer criterios, normas y procedimientos para las empresas de mantenimiento de equipos eléctricos y regeneración de aceites dieléctricos:

Se definieron directrices para la contratación de servicios de mantenimiento.

Inspección en campo y pruebas de verificación de la presencia de PCB durante las labores de mantenimiento.

Desarrollar e implementar medidas de control sobre la transferencia de aceites dieléctricos y equipos eléctricos en desuso hacia recicladores y chatarreros:

Se elabora un procedimiento de manejo de aceites.

Se establecen controles para la comercialización de residuos peligrosos (equipos y aceites): se exige resultado de análisis de PCB (< 50 ppm) a la dependencia que entrega el residuo a comercializar y a los interesados en la compra, la licencia o los permisos ambientales correspondientes.

Capacitar a través de un programa de sensibilización dirigido al personal de operación, mantenimiento y ambiental de Generación, Transmisión y Distribución de energía, el cual incluyó:

Dar a conocer los PCB y los riesgos de contaminación ambiental y efectos sobre la salud.

Divulgar la legislación ambiental que regula el tema de PCB en Colombia y en el mundo.

Presentar el diagnóstico de los equipos con PCB e identificarlos claramente.

Socializar las medidas de seguridad para los trabajadores que debían manipular equipos con aceite dieléctrico con o sin PCB.

Informar sobre las acciones que se deben adoptar en caso de emergencias (goteos o fugas, derrames e incendios) en equipos con o sin PCB.

Socializar el instructivo para la toma de muestras, el procedimiento de mantenimiento de equipos y el manejo de aceites y residuos asociados.

Capacitación en la toma demuestras para análisis de PCB (2005)

101

Poner en práctica los procedimientos para el manejo, almacenamiento y transporte de residuos peligrosos (entre ellos los PCB).

Divulgar los criterios para la intervención de los equipos libres y contaminados con PCB y los trabajos con las plantas de tratamiento de aceites, para evitar contaminación cruzada de la planta y los transformadores de potencia.

Dar a conocer las exigencias que deben cumplir los proveedores de aceite dieléctrico nuevo, la entrega del certificado de “libre de PCB” y como respaldo los análisis de laboratorio debidamente reconocidos.

5.2 Medidas de reducción del riesgo

Una vez identificados los transformadores con PCB que requerían un manejo adecuado, a partir del año 2007 se procedió a identificarlos claramente siguiendo las directrices del Manual de manejo de PCB para Colombia.

Por su parte, la Subgerencia Ambiental del negocio Generación Energía elaboró en 2007 dos procedimientos para el manejo seguro de aceites y equipos con PCB. Estos son:

Procedimiento para la inspección y mantenimiento de los sitios de almacenamiento de equipos, elementos y aceites dieléctricos con PCB.

Procedimiento para el retrollenado de transformadores con aceites dieléctricos que contengan PCB.

Así mismo, durante el 2007 se mejoraron las condiciones de seguridad de la caseta de la central hidroeléctrica Guatapé, construida en el año 1998 para albergar los transformadores identificados con PCB fuera de servicio.

En julio de 2007, mediante el Auto 132-0108, Cornare otorgó a EPM el permiso para almacenar por cinco años los transformadores con PCB, y exigió realizar inspecciones y mantenimientos periódicos de la caseta de almacenamiento, al tiempo que realizó visitas de control y seguimiento ambiental con resultados satisfactorios. El propósito principal de este permiso fue garantizar el cumplimiento de la normatividad ambiental (Decreto 4741 de 2005) en el manejo de residuos peligrosos.

Así mismo, como parte de la Comisión de Integración Energética Regional -CIER-, EPM, conjuntamente con ISA e ISAGEN, elaboraron en 2008 la Guía para el manejo de residuos peligrosos, donde los PCB también fueron abordados.

Cabe anotar que entre 2008 y 2009 la Subdirección Medio Ambiente ajustó los dos procedimientos mencionados y el de toma de muestras de aceites, con el fin de generalizarlos para que tuvieran aplicación en todas las empresas del Grupo EPM.

Igualmente, en 2008 la mencionada dependencia estableció las especificaciones para la construcción y operación de sitios de almacenamientos de residuos y equipos con aceites dieléctricos. De esta manera, se homologaron los criterios para todas las dependencias de EPM y del Grupo Empresarial.

102

Medio ambiente

Buscando reducir el riesgo, en 2008 se dio la directriz desde la Gerencia Transmisión y Distribución Energía, poseedora de la mayor cantidad de equipos con fluidos dieléctricos en EPM, de sacar de uso todos aquellos identificados con PCB, tras comprobar el resultado con la prueba de tipo cuantitativa. De esta forma, el Área Ingeniería Distribución puso en marcha un laboratorio para el análisis de concentración de PCB empleando cromatografía de gases, construyó un sitio de almacenamiento de PCB y adecuó las instalaciones donde se realiza el mantenimiento y reparación de los equipos no contaminados.

En línea con lo anterior, las Áreas de Distribución, Transmisión y Generación Energía, así como las de Aguas, construyeron acopios para el almacenamiento de equipos o aceites dieléctricos usados, entre otros residuos peligrosos.

Así mismo, de común acuerdo entre la Subdirección Medio Ambiente, la Unidad de Protección Social, la Unidad de Compras y el Departamento de Transporte y Talleres de EPM, se adquirieron equipos de emergencias para la atención de derrames, señalética para sitios y vehículos, y equipos de protección personal para todas las dependencias que lo solicitaron.

5.3 Eliminación de PCBEsta fase ha tenido dos momentos: uno en el año 2000, cuando la Subgerencia Redes Transmisión eliminó en el exterior un transformador de potencia con PCB; el segundo, cuando la Subdirección Medio Ambiente de EPM gestionó y coordinó la contratación para la eliminación de los PCB identificados, con un gestor externo autorizado con experiencia en Colombia y en el mundo. En esta contratación participaron los negocios de Aguas, Generación, Transmisión y Distribución Energía, así como la filial CHEC del Grupo EPM.

El contrato contempló, entre otros procedimientos, drenaje, lavado, embalaje, transporte nacional e internacional, almacenamiento temporal y eliminación de PCB mediante la técnica de incineración.

Cromafógrafo de gases para la identificación de concentraciones de PCB (2011).

103

En noviembre de 2008 fue retirado de las instalaciones de EPM el primer grupo de los PCB identificados a esa fecha, los cuales fueron almacenados hasta febrero de 2009 en la bodega del gestor externo contratado, ubicada en la ciudad de Soledad (Atlántico); ese mismo mes fueron transportados por vía marítima desde el puerto de Cartagena hasta la planta incineradora ubicada en Francia. En mayo de 2009 la empresa contratada presentó a EPM el certificado de eliminación por incineración de los PCB que le habían sido entregados.

Como desarrollo del mismo contrato, en julio de 2009 se retiraron de EPM los PCB existentes en las centrales hidroeléctricas Guadalupe III, Río Abajo y Sonsón I, que no se habían incluido en el embarque del mes de mayo y fueron llevados directamente al puerto de Santa Marta desde donde se transportaron vía marítima hasta Francia para su eliminación en la misma planta incineradora. Este procedimiento, que tuvo lugar en septiembre de 2009, cuenta con su respectiva certificación.

Preparación para el cargue de acites dieléctricos contaminados con PCB para su eliminación en el exterior (año 2009).

104

Medio ambiente

En total, durante los años 2008 y 2009 se eliminaron en Francia los PCB identificados en 29 transformadores, la mayoría de potencia, y 12 recipientes que representaron 105,74 toneladas. En la Tabla 2 y en el registro fotográfico anexo se presenta un resumen de los resultados de esta gestión.

En 2011 se elaboraron las Directrices para el manejo de PCB en el Grupo EPM, divulgadas en el III Encuentro Ambiental del Grupo realizado en septiembre. Allí se recogen las exigencias de la nueva normativa, las lecciones aprendidas y el deber ser en cuanto a prevención, identificación, reducción del riesgo y eliminación. Este documento es el resultado de una formulación inicial por parte de la Subdirección Medio Ambiente, sometida a discusión, análisis, validación y ajustes por parte de funcionarios conocedores de las Áreas de Planeación Transmisión y Distribución, Ingeniería Distribución, Hidrometría e Instrumentación y Proyectos Generación.

Inspección de la carga de PCB de EPM para exportar por parte de la Policía Antinarcóticos en la sociedad portuaria de Santa Marta (año 2009).

105

Acciones por ejecutarEPM continuará con la realización de pruebas a transformadores de distribución energía y equipos con fluidos aislantes diferentes a transformadores (CT, PT, condensadores, interruptores, entre otros) que serán objeto del nuevo inventario de PCB que se presentará a la autoridad a inicios del 2013. Así mismo, se aplicarán las directrices de manejo antes mencionadas, sus instructivos y procedimientos.

El Área Ingeniería Distribución implementará una tecnología de eliminación, con la que se controlaría el riesgo sobre el ambiente y la salud de las personas; se complementará con un proceso de regeneración de los aceites dieléctricos descontaminados, a fin de aprovecharlos nuevamente en equipos. Así mismo, trabajará en la acreditación del laboratorio de cromatografía de gases para la prueba de PCB, implementada para prestar servicios al Grupo EPM y a terceros interesados.

Nota: Costo total sin IVA de la medida de manejo implementada COP$ 832.868.734 (precios corrientes).

Tabla 2. Gestión proactiva por parte de EPM en la eliminación de PCB de las dependencias de Aguas, Generación, Transmisión y Distribución de Energía (años 2000, 2008 y 2009).

Igualmente se trabajará conjuntamente entre las dependencias operativas y de Planeación de Distribución, Transmisión, Generación Energía, Aguas, niveles institucionales y todas aquellas que cuenten con equipos objeto de inventario, en otros aspectos como el levantamiento de información aún no registrada en bases de datos de los equipos y necesaria para adelantar el nuevo inventario (georeferenciación, marca, año fabricación, peso líquido, peso total, entre otros); el desarrollo de un aplicativo que permita gestionar esta información, el cumplimiento de exigencias como la elaboración del reporte anual del inventario y la elaboración de un plan de gestión de PCB que reúna todas las acciones aquí mencionadas (para los negocios que aún no lo tienen); la construcción y dotación de acopios de PCB que se requieran y el retiro definitivo de equipos contaminados, entre otras acciones.

106

Medio ambiente

Conclusiones y recomendaciones

Seguir las directrices del MADS, manteniendo como libro de consulta el Plan Nacional de Aplicación (PNA) del Convenio de Estocolmo, el Plan de acción para PCB, la norma colombiana para el manejo de PCB y las directrices para el manejo de PCB en el Grupo EPM. El compromiso gerencial es fundamental para cumplir las exigencias derivadas del PNA y de la normatividad existente.

Se requiere un trabajo articulado entre las dependencias ambientales, técnicas, de laboratorio, administrativas e informáticas para ejecutar un plan de gestión de PCB en la empresa.

La ejecución de acciones para la implementación del PNA y el cumplimiento de la norma, demanda gran cantidad de recursos humanos, técnicos, logísticos y económicos que deben ser presupuestados con antelación.

Es vital la articulación entre las empresas del sector eléctrico y las autoridades ambientales al momento de expedir cualquier normatividad o directriz sobre el tema, pues son las empresas las que tienen mayor conocimiento técnico de los equipos, su funcionamiento, limitantes, procesos asociados con la operación y la alteración de indicadores de calidad del servicio, asociado con la desenergizacion de los equipos para muestreos, entre otros.

Igualmente, EPM seguirá adelantando las capacitaciones y entrenamientos periódicos sobre las directrices establecidas en la Circular 1399 de 2009 y las definidas para la contratación de servicios de mantenimiento, los tres procedimientos antes descritos y otros documentos que puedan surgir, las medidas de control internas y externas para la comercialización de aceites y equipos que los contuvieron, y las acciones a ejecutar por parte de los interventores en la adquisición de aceites y nuevos equipos o en el mantenimiento de los mismos. entre otros temas.

La Subdirección Medio Ambiente y el Área Planeación Transmisión y Distribución Energía de EPM, continuarán asesorando a las dependencias de la empresa y a sus filiales en la aplicación de las directrices para el manejo de PCB, liderando una mesa de trabajo con representantes de cada negocio, al tiempo que mantendrá la línea de trabajo que se ha venido desarrollando con el MADS y ANDESCO para el establecimiento de políticas e instrumentos de manejo de PCB para el sector eléctrico.

107

Tabla 1. Inventario de equipos de EPM analizados e identificados con PCB mayor de 50 ppm a 30 de junio de 2011.

108

Historia

Medellín y EPMBajo los primeros soles y lunas, los aburraes y también los yamesíes, peques, ebéjicos y noriscos, entre otros grupos ancestrales, caminaban libremente por los territorios sin percibir la transformación que verían al deambular por el futuro Valle de Aburrá, vocablo indígena que significa ¨La pintadera¨, territorio avistado por Jorge Robledo en 1541 y al cual bajo su ordenamiento arribó Jerónimo Luis Tejelo el 23 de agosto del mismo año. En 1616, el visitador Francisco Herrera Campuzano fundó con 80 indígenas el resguardo de San Lorenzo en el actual parque de El Poblado, y el 2 de noviembre de 1675 le correspondió al Gobernador y capitán general de la Provincia de Antioquia, Miguel de Aguinaga y Mendigoitía, proclamar la creación de la Villa de Nuestra Señora de la Candelaria de Medellín.

En la década de 1950, Medellín era una joven y moderna ciudad poblada por unos 500 mil habitantes. Una sociedad que preservaba la memoria entre cafés, manifiestos y tertulias y que construía el fundamento a la emblemática cultura empresarial antioqueña.

El 6 de agosto de 1955, se constituye un ente autónomo del orden municipal: Empresas Públicas de Medellín, las cuales se convirtieron desde entonces en actor fundamental del crecimiento urbano y testigo del desarrollo social de las comunidad. Medellín se consolidaría como el eje fundamental para el desarrollo y el progreso de la región.

Jorge Alberto Hernández PatiñoProfesional MercadeoSubdirección Identidad Empresarial, EPMjorge.hernandez.patino@epm.com.co

Evolución de la publicidad en EPM:desde las huellas de una identidad a la gestión de la marca

Palabras clavePublicidad, Gestión de marca, EPM

109

Los metarrelatos urbanos

La ciudad entre las ciudades ha visto miles de rostros, ha representado gran variedad de montajes escénicos y ha escuchado testimonios de vida, historias de esperanza, amor y futuro de una comunidad viva que respira, se deja habitar y se ha poblado a la par de cientos de generaciones.

En esta ciudad se han escuchado historias contadas por la ciudad y para la ciudad, que hacen de lo cotidiano un tejido social, un retrato hilvanado por caracteres y expresiones que tienen que ver con la propia esencia de sus habitantes, con los vínculos emocionales y familiares que en conjunto los validan como miembros esenciales de una comunidad. Empresas Públicas de Medellín, ahora EPM, siempre fiel a los principios constitucionales, tiene como compromiso satisfacer de manera regular y continua las necesidades relacionadas con los servicios públicos, principalmente los de la comunidad que la conforma.

Esta relación de convivencia, genera diálogos entre la ciudad y los habitantes, que establecen lenguajes comunes y códigos culturales que por la continuidad de uso se convierten en componentes diferenciadores de región. La retórica de este discurso comunica y compone la cultura registrada en la memoria como parte de la historia.

¨Una cosa es el ojo, otra distinta es la mirada. El ojo ve, la mirada mira. El ojo de distrae y se hace vulnerable. La mirada domina¨. ( diseñar para los ojos. Joan Costa. Grupo editorial design. Abril, 2003). La memoria visual de EPM se articula como la historia de cientos de impresiones, de registros sonoros y de imágenes en movimiento emitidas durante los últimos 57 años. Está compuesta por una colección de mensajes publicitarios en los que es posible descubrir testimonios de una relación de beneficio mutuo entre la comunidad y EPM.

Esta selección de textos, fotografías y trazos es testigo y soporte del camino que le permitió a la marca EPM generar un relacionamiento sostenible y fiable para instaurarse en el imaginario social.

Es una invitación a descubrir algo más que un extenso portafolio de servicios y productos. Es el reconocimiento de una relación de amistad y confianza duradera que evoca el espíritu y la tenacidad de miles de generaciones.

Décadas del 50 y 60

Los años 70, 80 y 90

Los años 90 al 2007

2007. Una nueva identidad de marca

El logotipo, una suerte de símil de escudo heráldico, impreso más como la consecuencia de la aplicación de un sello de imprenta que como una certificación de la identidad de marca. Registrado en ocasiones con contorno y otras sin el mismo, presentaban errores de continuidad y de calidad de la impresión. En algunas publicaciones la versión de impresión era negativa con errores de registro y calidad.

Usos de tipografías en altas y bajas, el estilo mezclaba la técnica de ilustración sobre fotografía.

En sus inicios las representaciones gráficas se basaban en un tipo de ilustración manual, con mensajes anecdóticos y complementados con composiciones realizadas por fotomontajes.

A finales de los años 60 se realzaron algunas piezas gráficas con referentes al cartelismo europeo mezclado con trazos del Art Deco.

El mensaje

La identidad gráfica La infografía predomina en la mayoría de los impresos comenzando un proceso instructivo a través del diagrama ilustrativo que representa los procesos de infraestructura, generación y conducción domiciliaria de los servicios públicos.

Cada vez con mayor frecuencia se recurre al uso de la fotografía y a las técnicas digitales como instrumentos para representar conceptos subjetivos o intangibles como bienestar, felicidad y participación ciudadana.

La identidad gráfica

El logotipo o emblema de EPM se consolida de una forma más estable al acoger ciertos lineamientos de uso regulados por un manual de marca básico. Sin embargo, la lectura e identificación por parte de la comunidad comienza a perder valor por representar conceptos no favorables relacionados con la expresión de la marca.

Se da inicio al estudio de arquitectura de la marca EPM.

La identidad gráfica

El estilo visual

Fuentes de investigación /bibliografía

Bibliografía digitalLa televisión en Colombia . Publicado el 10 de febrero de 2012http://www.banrepcultural.org/blaavirtual/exhibiciones/historia_tv/1953.htmLa radio en Colombia. Publicado el 10 de febrero de 2012http://www.banrepcultural.org/blaavirtual/ayudadetareas/periodismo/per74.htm

BibliografíaDiseñar para los ojos. Joan Costa. Grupo editorial design. Abril, 2003).Manuales de identidad de Marca Subdirección de Identidad Emprsarial. 2007.

Publicado en Internet en marzo 5 de 2012http://www.exitoexportador.com/stats.htmhttp://es.wikipedia.org/wiki/Internet

“Las Empresas”, término como era conocida EPM, se congratulaba con la comunidad y la hacía participe de los éxitos y celebraciones de la ciudad.

La comunicación era dirigida por campañas que hacían uso de un lenguaje común, coloquial. Su fin era la instrucción y la educación sobre el uso de los servicios públicos.

El mensaje El lenguaje de la marca es emitida con contenidos que generan referentes aspiracionales que evocan la posibilidad del progreso familiar y de convertirse en miembros activos de la comunidad. La publicidad se refiere a una relación de doble vía, en la cual EPM da testimonio de la inversión realizada para el mejoramiento de la infraestructura, garantizando a la comunidad las condiciones necesarias para su desarrollo.

Se publican campañas instructivas sobre el uso racional de los servicios públicos y los consumos en el hogar.

Entre 1970 y 1971 aparece incluido como tema de campaña el concepto de asociar los servicios con un valor “intangible” la variable “tiempo” presentada como el quinto servicio ofrecidos por EPM.

En 1980 el eslogan o lema publicitario mejor posicionado durante este período fue: “Fuente vital de bienestar y progreso”.

El mensaje El tono de voz. EPM se expresa como un amigo cercano que procura el bien común. EPM es visto como una clase de mecenas que posibilita confiar en un futuro sostenible.

Los mensajes se centran en el tema de la transformación y la posibilidad del progreso. Una visión de futuro fundamentada en grandes objetivos empresariales.

Varios lemas publicitarios se anuncian en diferentes campañas. Ejemplos: •Usted es nuestra razón de ser•Empresas Públicas de Medellín. Mejores servicios día a día para la comunidad•Conéctate a lo legal.

La publicidad se refiere a las expresiones, sensaciones y sentimientos que las personas pueden experimentar. Ejemplos:•Huele la luz, mira la luz, toca la luz, escucha la luz, saborea la luz… Todos los sentidos. EPM•Nos quitaron la luz pero no la energía.•Servicios únicos para más públicos•Valores del presente para vivir el futuro.

•Energía para el disfrute y la seguridad.

•Mas alegría en la ciudad gracias a la electricidad (1963)

Durante los años 90 y como consecuencia directa del arribo de la informática a la publicidad y la herramienta de diseño asistido por computador, los impresos denotan la mayor variedad de estilos visuales con un agotamiento de técnicas digitales sobre los productos impresos publicitarios. Composiciones con excesos efectistas y alegorías no objetivas que se desvirtuaban del mensaje de comunicación.

En este período el logotipo fue sometido a una revisión temporal que le permite adquirir cierta estabilidad como respaldo de marca en el cierre de las campañas.

La red de servicios y productos es asociada de forma errónea, sin lineamientos de marcas, lo que exhibe como resultado un mal posicionamiento de la marca.

El estilo visualLa publicidad de este período representa a la comunidad y a los diferentes grupos de interés que EPM atiende. Empresarios, familias, profesionales, jóvenes y niños comienzan a dialogar y a expresar sus percepciones de los beneficios del servicio. Es una publicidad fresca y cercana a la realidad que transforma a la ciudad como una protagonista de los cambios sociales y culturales del país. La estética es icónica y principalmente basada en el retrato.

El estilo visual

Una imagen renovada fundamentada en los valores del pasado y de la región pero con visión de futuro fundamenta una nueva marca, EPM estamos ahí. Decir EPM es recordar que siempre ha estado y estará al lado de su gente como alguien muy cercano que habla sus mismas palabras y reconoce los sueños de la gente, sus historias. Es una identidad que manifiesta los objetivos de continuo crecimiento, su internacionalización y la proyección social. Así es la imagen de EPM:Más colombiana y más internacional.Más empresarial.Más fuerte y unificada.Más moderna y actualMás cercana, humana, abierta y social.

La identidad gráfica

El mensaje Estamos Ahí, es el lema que define el posicionamiento e invita a demostrar que como Grupo EPM se encuentra al lado de la gente, en un viaje permanente hacia el futuro.

La visión de la marca de EPM expande el nombre y proyecta la experiencia de la marca regional, desde dentro hacia fuera. Una visión que hace coincidir los valores de la identidad y los valores de una marca global.

El estilo de comunicación refleja la visión y la voz de lo que es normal y corriente. Los mensajes deben mostrar la cotidianidad, pero poniendo en evidencia la maravilla de las pequeñas cosas que no advertimos

Son estilos tipográficos y visuales minimalistas y sin artificios, franco, directo y desenvuelto. Sencillo, familiar, doméstico y natural. Las imágenes audiovisuales transmiten un tono casual, espontáneo y cotidiano en forma cinematográfica, como una secuencia continua de cotidianidad, con sus momentos repetidos, habituales. La locución introduce la parte racional del mensaje y la música lo pauta emocionalmente introduciendo un leit motiv conductor.

(Un Leitmotiv es una herramienta artística que, unida a un contenido determinado, se utiliza de forma recurrente a lo largo de la obra de arte terminada. Tiene su origen en la música, más concretamente en la ópera, pero ha sido ampliado a muchos otros campos, tanto artísticos como sociales o económicos (entre ellos el marketing)

El estilo visual

Evolución de la publicidad en EPM:desde las huellas de una identidad a la gestión de la marca

Antonio Nariño fundael diario la Bagatela,fundado.

Fidel Cano Gutiérrez funda el 22 de marzo de 1887 en la ciudad de Medellín “El Espectador”, el periódico más antiguo de Colombia.

Se funda el periódico “El Tiempo” el 30 de enero de 1911 por Alonso Villegas Restrepo. Es comprado por Eduardo Santos Montejo.

Nace la radio comercial, cuyo fin, inicialmente, era el de emitir cuñas publicitarias, pero tan sólo un año más tarde, comienzan a emitirse programas de narraciones e historias..

Se establecen las primeras agencias de publicidad en Colombia, entre las cuales se destaca como pionera, la agencia de Alberto Mejía .

El 13 de Junio de 1954 es inaugurada oficialmente la televisión en Colombia.

Surge la primera red interconectada de datos entre las universidades de UCLA y Stanford. Intenet , el origen de Internet.

Aparecen las primeras emisoras culturales, entre ellas y por la misma época, las cadenas radiales “RCN”, “Caracol” y “Todelar”.

2.095.006.005 millones de navegantes se estimaron para marzo de 2011 a nivel mundial.

1810 1887 1911 1922 1930 1945 1954 1969 2011

www.epm.com.co