Análisis y Simulación de Redes de DistribuciónAnálisis y Simulación de Redes de Distribuciónde Agua para casos de Emergenciasde Agua para casos de Emergencias
Aplicación de Programa de CómputoAplicación de Programa de Cómputo
Ing. Ing. Yuri Yuri Marco Sánchez MerloMarco Sánchez Merlo
[email protected]@sedapal.com
ProgramasProgramasde Cómputode Cómputo
•• Programas para la simulación y análisis de Programas para la simulación y análisis deRedes de Agua Potable y AlcantarilladoRedes de Agua Potable y Alcantarillado
Herramientas de Cómputo para la Prevención, Detección yHerramientas de Cómputo para la Prevención, Detección yRespuesta en situaciones de emergenciaRespuesta en situaciones de emergencia
•• Sistemas de Información Geográfica Sistemas de Información Geográfica
¿¿QuQuéé es un GIS es un GIS –– SIG? SIG?
Es un sistema de computación que utilizainformación locacional en coordenadas delongitud y latitud, para mapear información paramejor análisis.
Un SIG es importante para diversos Estudios.Un SIG es importante para diversos Estudios.
En el caso de la prevención en Sistemas de Distribución de Agua, durante la planificación sepuede mapear tanto la planimetría de la localidad, mapa de la red de distribución de agua,mapa de riesgos a desastres naturales u otros.
Con todo ello se puede identificar que componentes del sistema sonvulnerables.
CCóómo funciona un SIGmo funciona un SIG
Manzanas y lotes
Red de vías
Red de agua y desagüe
Mapas de riesgo
Vista – Mapa interactivo Mapas de riesgos
Se generan mapas de zonificación del peligro eidentifican los componentes más expuestos adiferentes amenazas.
Tablas
Arc Arc View View - GIS - GIS
ANANÁÁLISIS Y SIMULACILISIS Y SIMULACIÓÓN DE REDES DE DISTRIBUCION DE AGUAN DE REDES DE DISTRIBUCION DE AGUAEl análisis y simulación de redes se realiza para investigar la relación compleja que existe entrelas características de la red, la demanda de los consumidores (Doméstico, comercial, Industrialy público), los caudales y cargas en un momento determinado.
Básicamente se calcula caudales, presiones y valores asociados en un momento determinado,mediante un cálculo hidráulico (al modelo matemático).
Aplicaciones del análisis y simulación de redes:
•Conocer el comportamiento de los sistemas de distribución de agua.
•Estimación de niveles de servicio.
•Diseño de nuevos sistemas.
•Evaluación dela capacidad de conducción de la red existente.
•Uso eficiente y/o reforzamiento de las redes existentes.
•El planeamiento contingente. Solución de las redes para diferentes escenarios y alternativas.
ANANÁÁLISIS DE FLUJO PERMANENTE LISIS DE FLUJO PERMANENTE - - ANANÁÁLISIS ESTATICOLISIS ESTATICO
En este tipo de análisis de flujo permanente se conoce los diámetros de todos los tramos de la red,los niveles en los tanques y las demandas en los nudos, y se busca la distribución de caudales ypresiones en la red, en condiciones de demanda y niveles constantes.
AANNÁÁLISIS DE FLUJO NO PERMANENTE LISIS DE FLUJO NO PERMANENTE - - ANANÁÁLISIS DINAMICO - SIMULACILISIS DINAMICO - SIMULACIÓÓN DEN DEPERIODOS EXTENDIDOSPERIODOS EXTENDIDOS - - SIMULACISIMULACIÓÓN CONTINUA - SIMULACIN CONTINUA - SIMULACIÓÓN EN EL TIEMPO.N EN EL TIEMPO.
En una red de agua potable la demanda varía durante el día, y con ello los niveles en los tanques yla operación de la bomba y se busca la distribución de caudales y presiones en la red paradiferente instantes del día (Ejemplo cada hora). Se puede decir que un análisis de flujo nopermanente es una secuencia de estados de flujo permanente con diferentes demandas en cadaestado.
CAUDALES DE DISEÑO DE UNA RED DE DISTRIBUCION DE AGUA
ØConsumo Máximo
Caudal máximo horario = Qmh
ØConsumo Contra Incendio
Caudal máximo diario + Caudal contra incendio = Qmd + Qincendio
ØConsumo Mínimo
Caudal mínimo = Qmín
CURVA DE VARIACIONES HORARIAS DE CONSUMO DOMESTICO
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
0:00
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
9:00
10:0
0
11:0
0
12:0
0
13:0
0
14:0
0
15:0
0
16:0
0
17:0
0
18:0
0
19:0
0
20:0
0
21:0
0
22:0
0
23:0
0
0:00
HORA
GA
STO
(lps
)
Caudal hora i
Coeficiente de variación horaria (Ki) = ---------------------- Caudal Promedio
Caudal Promedio ( Qp ) = 39 lps
Caudal Máximo ( Qmáx) = 67 lps
HoraCoeficiente de
Variación HorariaCaudal Horario
1:00 K1 Q1 = K1 * Qp
2:00 K2 Q2 = K2 * Qp
3:00 K3 Q3 = K3 * Qp
4:00 K4 Q4 = K4 * Qp
5:00 K5 Q5 = K5 * Qp
6:00 K6 Q6 = K6 * Qp
7:00 K7 Q7 = K7 * Qp
8:00 K8 Q8 = K8 * Qp
9:00 K9 Q9 = K9 * Qp
10:00 K10 Q10 = K10 * Qp
11:00 K11 Q11 = K11 * Qp
12:00 K12 Q12 = K12 * Qp
13:00 K13 Q13 = K13 * Qp
14:00 K14 Q14 = K14 * Qp
15:00 K15 Q15 = K15 * Qp
16:00 K16 Q16 = K16 * Qp
17:00 K17 Q17 = K17 * Qp
18:00 K18 Q18 = K18 * Qp
19:00 K19 Q19 = K19 * Qp
20:00 K20 Q20 = K20 * Qp
21:00 K21 Q21 = K21 * Qp
22:00 K22 Q22 = K22 * Qp
23:00 K23 Q23 = K23 * Qp
0:00 K24 Q24 = K24 * Qp
¿Presión?¿Presión?¿Velocidad?¿Velocidad?
Cálculo HidráulicoCálculo HidráulicoMétodos de Verificación
Permiten hallar el flujo real por cada tramo
PredimensionamientoPredimensionamiento de la Red de la RedCálculo de los diámetros de los tramos
Cálculo de:Cálculo de:Velocidad (V) en los tramos.
Presión (P) en los Nudos
Modelamiento delSistema
NoNo
SíSí
DIAGRAMA DE FLUJO DEL CALCULO DE UNA RED DEDISTRIBUCÍÓN DE AGUA
Viene
Va
Programas de CómputoProgramas de Cómputo
PROGRAMAS DE COMPUTO UTILIZADOS EN EL ANALISIS Y DISEPROGRAMAS DE COMPUTO UTILIZADOS EN EL ANALISIS Y DISEÑÑO DE REDES DEO DE REDES DEDISTRIBUCION DE AGUADISTRIBUCION DE AGUA
Existen gran cantidad de programas de cómputo para el cálculo hidráulico de redes de distribuciónde agua desarrollados en diversos países.
La mayoría de los programas que trabajan en entorno Windows, tienen las siguientescaracterísticas:
•Digitalización de los planos de agua potable, incluyendo la planimetría de calles y el trazo de tuberías.
•Análisis Estático de la red digitalizada.
•Análisis Dinámico de la red digitalizada.
•Consideración de tanques, bombeo, válvulas reductoras de presión, válvulas sostenedoras de presión,válvulas de control de flujo y otros.
•Edición manual de los cruceros.
•Isolíneas de terreno, presión, elevación piezométrica y otros.
•Manejo de un número ilimitado de tramos y nudos.
•Actualización de la información digitalizada, y edición de los datos sobre el dibujo en AutoCAD, o ensu propio entorno gráfico o en tablas.
•Planeamiento contingente (¿Qué sucedería si?)
Origen Universidad de Kentucky
Estados Unidos
Aplicación Análisis Hidráulico - Análisis de Flujo permanente
Análisis Hidráulico - Análisis de Flujo no permanente
Calidad de Agua
Método de solución Teoría Lineal
Entorno MS-DOS
Windows
Componentes Hidráulicos Embalses - Tanques
Válvulas reductoras y sostenedoras de presión
Bombeo de velocidad fija o variable y otros.
Presentación de Resultados Por pantalla
Tablas
Gráficas
Archivos de texto
Desventaja No diseña
Lenguaje de Programación Lenguaje C
Home page en Internet http://www.engr.uky.edu/CE/KYPIPE
KYPIPE - PIPE2000
Ventana de presentación delVentana de presentación delprograma KYPIPE – PIPE2000programa KYPIPE – PIPE2000
Pipes Standard Version* Professional Version**
50 $195 $395250 $495 $995
1000 $995 $1995
2000-6000 add $250 for each additional
1000 pipesadd $500 for each additional
1000 pipes
Total Modeling Package (KY.TMP) Pricing - DOS Version
Perfil de la línea de impulsióngenerado en el MODULO KYGEMS
Tablas para ingreso de datos yvisualización de resultados.
Planimetría y trazado de redes en elMODULO KYCAD
Ventanas de ingreso de datos
IMÁGENES DE ALGUNASIMÁGENES DE ALGUNASCARACTERÍSTICAS DE KYPIPE 2000CARACTERÍSTICAS DE KYPIPE 2000
Curvas de la bomba.
Cálculo del flujo contra incendios.
Origen Enviromental Protection Agency EPA
Estados Unidos
Aplicación Análisis Hidráulico - Análisi de Flujo permanente
Análisis Hidráulico - Análisi de Flujo no permanente
Calidad de Agua
Método de solución Teoría Lineal
Entorno MS-DOS
Windows
Componentes Hidráulicos Embalses - Tanques
Válvulas reductoras y sostenedoras de presión
Bombeo de velocidad fija o variable y otros.
Presentación de Resultados Por pantalla
Tablas
Gráficas
Archivos de texto
Ventaja Distribución Gratuita
Desventaja No diseña
Lenguaje de Programación Lenguaje C
Home page en Internet http://www.epa.gov
EPANET
H2O NETH2O NET
Compañía Compañía Montgomery Montgomery USA USA
Origen Banco Mundial
Aplicación Análisis Hidráulico - Análisi de Flujo permanente
Método de solución Método de Hardy Crooss - Métod de Newton Raphson
Entorno MS-DOS
Componentes Hidráulicos Embalses - Tanques
Válvulas reductoras de presión
Válvulas check
Bombeo
Presentación de Resultados Por pantalla
Tablas
Gráficas (Perfiles)
Desventaja No diseña
Lenguaje de Programación Lenguaje Basic
Home page en Internet http://www.
LOOP
Origen Haestad Methods
Estados Unidos
Entorno Gráfico WaterCAD for AutoCAD - CYBERNET
WaterCAD Stand Alone
Aplicación Análisis Hidráulico - Análisi de Flujo permanente
Análisis Hidráulico - Análisi de Flujo no permanente
Calidad de Agua
Método de solución Método de la Gradiente
Entorno MS-DOS
Windows
Componentes Hidráulicos Embalses - Tanques
Válvulas reductoras y sostenedoras de presión
Válvulas check, control de flujo, accesorios
Bombeo de velocidad fija o variable y otros.
Presentación de Resultados Por pantalla
Tablas
Gráficas
Archivos de texto
Desventaja No diseña - Costoso
Lenguaje de Programación Lenguaje C - Autolisp
Home page en Internet http://www.haestad.com
WATERCAD
WATERCAD STAND ALONE – PROPIO ENTORNO GRAFICO
Menúes despegables
OpcionesBarras de herramienta
Ventana de Dibujo
Barras de DesplazamientoBarra de estado
WATERCAD FOR AUTOCAD
CAPTACION
Fuente Subterránea
DE AGUA CRUDA
RESERVORIO
RED DE DISTRIBUCION
CAPTACION
L.C. por gravedad
Línea de Impulsión
Línea de AducciónL.C. de agua cruda
Pozo Profundo
Estación de Bombeo
Fuente superficial
PLANTA DE TRATAMIENTO
L.C. de agua tratada
L.C. por bombeo 24Qb = ----- x Qmd N
Qmd
Qmd
Qmd
QmdQmd
QmhQmd + QciQmín
Qmd + QciQmín
Qmh
Fuente sub -superficial
CAPTACION
DISTRIBUCIONPRODUCCION
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLEConjunto de estructuras, instalaciones, equipos y servicios; que dará servicio a unapoblación en forma continua y de buena calidad.
OBRAS DE CAPTACION
OBRAS DE CONDUCCION
OBRAS DE PURIFICACION
OBRAS DE DISTRIBUCION
CODIFICACION DE LA RED MATRIZ
Numeración de Tramo
Numeración de Nudos
Reservorio
Leyenda
Tubería a presión – TramoTubería a presión – Tramo
BombaBomba
Válvula de Control de FlujoVálvula de Control de Flujo
Válvula Reductora de PresiónVálvula Reductora de Presión
Válvula Sostenedora de PresiónVálvula Sostenedora de Presión
Válvula Rompedora de PresiónVálvula Rompedora de Presión
VVálvulaálvula de control de control (I(Impedimentompedimento))
Unión a presión – Nudo (N)Unión a presión – Nudo (N)
Tanque de almacenamiento (TA)Tanque de almacenamiento (TA)
Reservorio – Embalse – P.T.Reservorio – Embalse – P.T.
PROTOTIPOS DE LOS COMPONENTES DE UNA RED DE DISTRIBUCION DE AGUAPROTOTIPOS DE LOS COMPONENTES DE UNA RED DE DISTRIBUCION DE AGUA
DE BOMBEOESTACION
CAPTACION TANQUE
CISTERNA
ReservorioX
(m)Y
(m)Elevación
(m)
R-1 400 900 405
Reservorio : Reservorio : Estructura hidráulica donde elnivel de agua se considera constante. Con estePrototipo se modela: Embalses, plantas detratamiento, captaciones,etc.
FORMATO DE DATOS DEL RESERVORIO
TanqueElevación
Base (m)
Elevación Mínima
(m)
Elevación Inicial
(m)
Elevación Máxima
(m)
R-1 420 420 425.00 425.00
FORMATO DE DATOS DEL TANQUETanque: Tanque: Estructura hidráulica donde el nivelde agua es variable en el tiempo.
VENTANAS DEINFORMACION DEL TANQUE
FORMATO DE DATOS DE TRAMO – TUBERÍA A PRESIONTramo: Tramo: Tubería a presión que interconectauna estructura hidráulica con otra.
TramoDe
NudoA
NudoLongitud
(m)Diámetro
(mm)Material
Coeficiente de Friccion
T-01 R-01 N-01 800 300 PVC 140
NudoX
(m)Y
(m)
Cota de Terreno
(m)
Caudal de Influencia
(lps)
N-01 400 900 405
N-02 0 900 400 8.40
FORMATO DE DATOS DE LOS NUDOSNudo: Nudo: Prototipo que representa consumo odemanda de agua o un ingreso de agua alsistema.
FORMATO DE DATOS DE BOMBABomba: Bomba: Elemento hidráulico que permiteincrementar presión al sistema.
ESTACION
Nivel Dinámico
Curva de
Motor
Abatimiento
Rejilla
Tubería de descarga
Nudo de ingreso a la Red de Distribución
Nudo de ingreso a la Red de Distribución
Bomba (Pump)
Pozo profunda(Reservoir)
Tubería de descarga
Tubería de descarga
Tubería de Cisterna
Nivel Dinámico
Motor
a la Red de DistribuciónNudo de ingreso
succión
succiónTubería de
succiónTubería de
DE BOMBEO ESTACION DE BOMBEO
MODELAMIENTO - BOMBA
Válvula Reductora de PresiónVálvula Reductora de Presión
VRPX
(m)Y
(m)Dámetro
(mm)Elevación
(m)Gradiente Hidráulico
VRP-1
VRP son usadas para separar zonas de presión, estas válvulas previenen que la presión aguas abajo excedan un nivel de presión establecida.
Válvula Sostenedora de PresiónVálvula Sostenedora de Presión
VSPX
(m)Y
(m)Dámetro
(mm)Elevación
(m)Gradiente Hidráulico
VSP-1
VSP mantiene una presión especificada aguas arriba de la válvula.
Análisis de RiesgoAnálisis de Riesgo
Vulnerabilidad del SistemaVulnerabilidad del Sistema
Conocer sus sistemas tanto física como operacionalmente
Papel de las EmpresasPapel de las Empresas
PrevenciónPrevención DetecciónDetección RespuestaRespuesta
El entendimiento profundo de nuestro sistema es la mejorEl entendimiento profundo de nuestro sistema es la mejorarma de prevenciónarma de prevención
PrevenciónPrevención
Herramientas disponiblesHerramientas disponibles• Simulación en tiempo extendido (EPS)• Manejo de escenarios• Controles lógicos• Calibración• Ágil manejo
Que significa estar preparados?Que significa estar preparados?• Zonificación de riesgo• Diseñar planes operativos de emergencia• Crear escenarios de demanda de emergencia• Crear situaciones y soluciones hipotéticas• Estudios de vulnerabilidad de propagación
• Cuales válvulas cierro?
• Que hidrante utilizo?
• Que le sucederá a mi sistema?
• Cual es la opción más efectiva?
• Como viaja el contaminante?
• Tengo suficiente cloro residual?
Tomar la decisión correctaTomar la decisión correcta
• Ajustar demandas
• Configurar condiciones iniciales
• Determinar escenarios de operación
• Correr modelo
• Interpretar resultados
Pasos para la modelaciónPasos para la modelación
• Análisis en período extendido
• Configuración de controles
• Calibración del modelo
A tener en cuenta…A tener en cuenta…
Modelos hidráulicos para respuesta deModelos hidráulicos para respuesta deemergenciaemergencia
Demostración…Demostración…
WaterCADWaterCAD 4.5 4.5
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