Modelación del sistema de abasto de agua potable Santa Marta Varadero empleando el software EPANET 2 0vE

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(1)UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE CONSTRUCCIONES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA HIDRÁULICA. TRABAJO DE DIPLOMA. MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0vE.. Autora: Nilien Milagro Pérez Suárez. Tutores: Ing. Leodanis Pérez Lantigua. Ing. Yerandy Rodríguez Delgado.. Santa Clara Curso: 2016-2017.

(2) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. PENSAMIENTO "La inteligencia consiste no sólo en el conocimiento, sino también en la destreza de aplicar los conocimientos en la práctica." Aristóteles.

(3) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. DEDICATORIA Dedico este trabajo de diploma, especialmente a mis padres que tanto amor y sacrificio han dado de sí para hacer realidad este sueño. A mi hermano, por ser la persona que me inspira a seguir adelante en todo momento. A mi novio, por esperar siempre lo mejor de mí. A toda mi familia..

(4) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. AGRADECIMIENTOS A mis padres por sus grandes sacrificios para cumplir este sueño, por su amor, cariño y confianza, a ustedes debo todo lo que soy, son mi razón de ser. A mi hermano por quererme tanto, por estar tan orgulloso de mí, y esperar siempre mucho más de que lo que puedo dar. A mi novio Yerandy Rodriguez Delgado, por haber llegado a mi vida cuando más lo necesitaba, por su amor incondicional, su comprensión, sus consejos, por pensar siempre en lo mejor para mí, por todos los momentos que hemos pasado juntos en las buenas y en las malas. A toda su familia, principalmente a mi suegra Deisy por acogerme como una hija más. A toda mi familia y en especial a mi primo Chino, a mi abuela Zenia y a mis tías Maira y Vivi. A Katia, Luisita y Sahily, por tenerme siempre presente aunque esté lejos. A mi amiga Raima por ser mi confidente, por estar siempre dispuesta a escucharme y aconsejarme, por decirme siempre las verdades que me hicieron falta en determinados momentos y no lo que yo quiera escuchar. A Lianet, Sulainy y Dayana por compartir tantos momentos buenos y malos a largo de este viaje por la vida, porque a pesar de las discusiones bobas y los mal entendidos entre las cuatro siempre nos preocupamos unas por otras, no las voy a olvidar. A Yoel por tener que soportarlo tres días en la oncena, por no tener tema de conversación, por perder la paciencia con sus… costa pinto!!! A Yisenia, por convertirse en mi amiga poquito a poco, por sus consejos, por los fines de semana de trabajo voluntario en la casa, las compras y ferias los domingos. A Yaneidy, Yanet y Eliany por los días en que dormíamos todas en el mismo cuarto, por las risas, por los llantos, las quiero..

(5) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. A mi amigo Isaac y familia por su solidaridad y amistad cuando lo necesité. A Leandro por las visitas disociadoras a Varadero, por su amistad desinteresada, porque su ayuda fue imprescindible para la realización de este trabajo. A Yanet y Héctor de la brigada de Hidrología de la ECOING 25, por preocuparse siempre por cómo iba la tesis. Al Ing. Leodanis Pérez Lantigua, por hacer posible la realización de este trabajo en la EAA Varadero. Al departamento de técnica de la EAA Varadero en especial a la Ing. Ysnayan Fernández Legón por toda la cooperación y atención prestada, porque siempre dejó todo lo que estaba haciendo para ayudarme sin tener descanso hasta el final. Al profesor Lamberto por su inmensa disposición para ayudarnos en todo lo que fuese posible durante estos cinco años. Al departamento de Ingeniería Hidráulica de la Facultad de Construcciones de la Universidad Central Marta Abreu de la Villas por cada año contribuir a mi formación como profesional. A todos mis compañeros de aula por estos cinco años que serán inolvidables. A todas las personas que de una forma u otra colaboraron con la realización de esta investigación.. Muchas Gracias a todos!!!.

(6) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. RESUMEN En la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Varadero (EAA Varadero) no existe una herramienta virtual capaz de evaluar soluciones ante situaciones inesperadas como es el caso de los sobreconsumos y averías, problemas que atentan contra la estabilidad y calidad del servicio de abasto de agua entregado a la Península de Hicacos. En la presente investigación se realizará la modelación hidráulica del sistema de abasto de agua potable Santa Marta-Varadero mediante el software EPANET 2.0vE. Se desarrollará una metodología de trabajo considerando las características actuales del sistema y las operaciones que se realizan desde el campo de pozos hasta el centro de distribución, para de esta forma obtener diferentes estrategias y alternativas de gestión que permitan dar soluciones rápidas y eficientes ante cualquier imprevisto.. ABSTRACT In the Varadero Aqueduct and Sewer Company (EAA Varadero) there is no virtual tool. capable. of. evaluating. solutions. to. unexpected. situations. such. as. overconsumption and breakdown, problems that threaten the stability and quality of the water supply service delivered To the Peninsula of Hicacos. In the present investigation will be carried out the hydraulic modeling of the Santa Marta-Varadero drinking water supply system using EPANET 2.0vE software. A working methodology will be developed considering the current characteristics of the system and the operations that are carried out from the field of wells to the distribution center, in order to obtain different strategies and management alternatives that allow quick and efficient solutions to any unforeseen ..

(7) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. TABLA DE CONTENIDOS PENSAMIENTO .........................................................................................................................i DEDICATORIA ......................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ............................................................................................................ iii RESUMEN ................................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 1 CAPÍTULO I: REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA Y ESTUDIO DE ANTECEDENTES. .......... 5 Introducción ............................................................................................................................... 5 1.1 Sistema de abasto de agua potable. .......................................................................... 5 1.2 Requisitos para un sistema de abasto de agua según las normas vigentes. .... 13 1.3 Modelación Hidráulica para un sistema de abasto de agua. ................................ 17 1.4 Softwares utilizados para realizar la modelación hidráulica de sistemas de abasto de agua potable. .................................................................................................... 19 1.5 Generalidades del software a utilizar EPANET 2.0vE para el modelaje hidráulico del sistema de abasto de agua potable Santa Marta-Varadero. .............. 22 1.6 Estado Actual del sistema de abasto de agua potable Santa Marta-Varadero. 23 CAPÍTULO II: MODELACIÓN HIDRÁULICA MEDIANTE EL SOFTWARE EPANET 2.0vE DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTA VARADERO............................................................................................................................. 27 2.1 Caracterización del sistema de abasto de agua potable Santa Marta – Varadero en el software EPANET 2.0vE. ............................................................................................. 27 2.2 Modelación con el software EPANET 2.0vE. .............................................................. 33 2.3 Introducción de las Propiedades de los Objetos que componen el sistema. ......... 41.

(8) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. 2.4 Análisis en Régimen Permanente. ................................................................................ 44 2.5 Análisis en Periodo Extendido. ...................................................................................... 47 CAPÍTULO III: ANÁLISIS Y COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS MEDIANTE LA MODELACIÓN HIDRÁULICA EN EL SOFTWARE EPANET 2.0VE DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTA - VARADERO. . 52 3.1 Análisis del comportamiento hidráulico del sistema de abasto Santa Marta – Varadero para diferentes condiciones de operación, mediante la modelación con el software EPANET 2.0vE. .................................................................................................. 52 3.2 Análisis de los resultados de la modelación con el software EPANET 2.0vE para cada una de las variantes. ....................................................................................... 54 3.3 Análisis de los resultados de la modelación con el software EPANET 2.0vE en caso de sobreconsumos y averías. ................................................................................. 62 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..................................................................... 70 Conclusiones ....................................................................................................................... 70 Recomendaciones: ............................................................................................................. 71 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................... 72 ANEXOS .................................................................................................................................. 75.

(9) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. INTRODUCCIÓN El agua es un recurso renovable, escaso y limitado. Su mal uso y distribución ocasionan problemas que cada día tienen mayor impacto en las sociedades y es facultad de la Ingeniería Hidráulica el poder brindar soluciones para que este recurso sea correctamente aprovechado y distribuido. El principal destino turístico del país de sol y playa, la Península de Hicacos, se encuentra inmerso en una serie de inversiones para ampliar la capacidad de las instalaciones hoteleras y extrahoteleras, por lo que es necesario contar con una fuente de suministro de agua potable confiable y segura que garantice la calidad del servicio. La empresa de Acueducto y Alcantarillado de Varadero es la entidad encargada de suministrar el agua potable al polo turístico de Varadero y las áreas aledañas al mismo. Teniendo en cuenta la situación actual que afronta el país debido a las escazas precipitaciones se hace necesario contar con sistemas de abastecimiento de agua más eficientes, que permitan cubrir las demandas con la presión requerida en cada punto de la red de distribución existente. El sistema actual carece de una herramienta virtual capaz de evaluar soluciones ante determinadas situaciones que se presentan durante la operación del mismo, debido a sobreconsumos en la red o averías, particularmente en el horario de máxima demanda. Mediante la modelación hidráulica del sistema de abasto Santa Marta – Varadero, utilizando el software Epanet 2.0vE, se pueden realizar simulaciones en periodos extendidos del comportamiento hidráulico del agua en redes de distribución a presión, para de esta forma contar con diferentes estrategias, alternativas de gestión y manipulación del bombeo, como pueden ser la variación de los esquemas de funcionamiento de las bombas y llenado y vaciado de los depósitos. Con el surgimiento de diferentes programas que sirven para el diseño y la modelación de redes de abastecimiento de agua potable, se ha logrado que en estos momentos se encuentre en pleno desarrollo la modelación del sistema de abasto Santa Marta-Varadero mediante el software WaterGEMS y en este trabajo se 1.

(10) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. realizará la modelación hidráulica del mismo sistema con el software EPANET 2.0vE con los cuales se logrará formular diferentes alternativas que permiten alcanzar soluciones acordes a cada problema en particular. Diseño metodológico de la investigación Situación Problémica El sistema de abasto de agua Santa Marta – Varadero en ocasiones presenta dificultades para efectuar las operaciones de manera eficiente y segura, dado que, ante la ocurrencia de sobreconsumos en la red, no se cuenta con una herramienta de modelación hidráulica que le permita disponer de un banco con diversos escenarios de modelaciones de la red de abasto, para actuar de manera rápida y garantizar la demanda ante la presencia de averías. Campo de investigación Sistemas de abastecimiento de agua potable. Objeto de estudio Modelación hidráulica del sistema de abastecimiento de agua potable Santa MartaVaradero. Planteamiento del problema ¿Cómo lograr un modelo hidráulico, que permita evaluar diversos escenarios de solución,. ante. la. ocurrencia. de. situaciones. indeseables. como. averías,. sobreconsumos o cualquier otro problema de operaciones en el sistema de abasto de agua potable Santa Marta - Varadero? Hipótesis Si se realiza la modelación hidráulica del sistema de abasto Santa Marta – Varadero mediante el software Epanet 2.0vE para diferentes escenarios de operación, entonces se podrá contar con una herramienta capaz de simular diferentes variantes de operación de este sistema de abasto, para diversas situaciones y condiciones de trabajo, lo que posibilitaría la planificación del comportamiento futuro de la red de 2.

(11) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. distribución, garantizando así un conjunto de soluciones previstas para aplicarse en caso de averías, sobreconsumos u otras situaciones que atentan contra la estabilidad y calidad del servicio.. Objetivo general Realizar la modelación hidráulica del sistema de abasto de agua potable Santa Marta - Varadero. Objetivos específicos . Confeccionar el Estado del Arte respecto a la modelación hidráulica de los sistemas de abastecimiento de agua potable.. . Realizar la modelación hidráulica para diferentes escenarios de operación del sistema de abasto de agua potable Santa Marta-Varadero.. . Comparar los resultados obtenidos mediante la modelación con el software EPANET 2.0vE del sistema Santa Marta - Varadero y los datos históricos existentes en la EAA Varadero para demostrar la fiabilidad de la modelación.. Para el logro de esta investigación se trazaron las siguientes tareas: 1- Recopilación de la bibliografía para la elaboración del capítulo 1. 2- Modelación de la red de abasto Santa Marta - Varadero mediante el software Epanet 2.0vE. 3- Recopilación de evaluaciones pitométricas realizadas por el departamento de operaciones de la Empresa de Acueducto y Alcantarillado, EAA Varadero, para acreditar los resultados obtenidos mediante la modelación con el software Epanet2.0vE.. 3.

(12) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. La presente investigación estará estructurada de la siguiente forma: Capítulo I: Revisión bibliográfica y estudio de antecedentes. Este capítulo estará referido al estudio de la bibliografía y revisión de los antecedentes tanto internacionales, nacionales y locales sobre los sistemas de abasto de agua potable y la modelación hidráulica. Capítulo II: Modelación hidráulica mediante el software Epanet 2.0vE del sistema de abasto de agua potable Santa Marta - Varadero. Capítulo III: Análisis y comparación de los resultados obtenidos mediante la modelación hidráulica en el software Epanet 2.0vE del sistema de abasto de agua potable Santa Marta - Varadero. Conclusiones y Recomendaciones. Referencias Bibliográficas. Anexos.. 4.

(13) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. CAPÍTULO I: REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA Y ESTUDIO DE ANTECEDENTES. Introducción El correcto manejo y control de las redes de abastecimiento, la distribución de agua en condiciones adecuadas de presión y caudal, junto con la necesidad de hacer eficientes y económicamente viables las grandes inversiones necesarias para la construcción y el mantenimiento de estas redes, son los grandes retos que persiguen desde hace años las empresas de distribución de agua potable. (Pérez, Roldán et al. 2004) La moderna gestión de los abastecimientos de agua, requiere cada vez más la utilización de modelos de simulación hidráulica, dada la complejidad del entorno de tuberías, depósitos y elementos de regulación que son necesarios para garantizar el transporte del caudal de agua requerido en condiciones de presión y calidad adecuadas. (Pérez, Roldán et al. 2004) 1.1 Sistema de abasto de agua potable. El sistema de abasto de agua potable, no es más que un conjunto de obras de ingeniería conectadas entre sí, con la finalidad de conducir el agua desde la fuente hasta el consumidor. Elementos que componen el sistema de abasto de agua potable. Fuente. Como fuente se conoce el lugar de donde se toma el agua. Pueden ser superficiales y subterráneas. Entre las superficiales se encuentran los ríos, lagos y embalses y entre las subterráneas las aguas artesianas y los manantiales; en las figuras 1.1 y 1.2 se muestran los esquemas aproximados de abasto de agua con fuentes superficiales y fuentes subterráneas.. 5.

(14) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. Características que deben cumplir las fuentes:  Cantidad de agua necesaria para satisfacer las exigencias.  Entregas continuas de agua para que el servicio sea el idóneo.  Calidad adecuada.  Economía.. Figura 1.1: Sistema de abasto de agua con fuente superficial.. Figura 1.2: Sistema de abasto de agua con fuente subterránea.. 6.

(15) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. Captaciones de agua subterránea y su construcción. Para el aprovechamiento del agua subterránea se requieren obras de captación. Su finalidad es obtener la mayor cantidad de agua con el mínimo gasto de energía. Al hablar de captaciones para explotación de aguas subterráneas generalmente nos referimos a pozos verticales, pero existen otros sistemas constructivos que permiten alcanzar el mismo fin.(Bellino 2012) Las obras de captación pueden clasificarse en dos tipos principales: Verticales: sondeos o perforaciones. Horizontales: zanjas, drenes y galerías. Dependiendo de la cantidad de agua que se necesite y de las características hidrogeológicas de la zona se determinará el tipo de captación conveniente. Pozos verticales: Se llaman pozos verticales, a todos aquellos que se construyen para obtener el agua por penetración vertical del acuífero. En la actualidad los sondeos o perforaciones son las captaciones más utilizadas y generalmente su diámetro es menor que la profundidad como se muestra en la figura 1.3.. Figura 1.3: Pozos verticales de sondeo o perforación.. 7.

(16) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. Pozos horizontales: Se denominan pozos horizontales, como se observa en la figura 1.4, aquellos con un ángulo de inclinación no menor de 86° respecto a la vertical, donde la longitud de la sección horizontal depende de la extensión del yacimiento y del área a drenar en el mismo.. Figura 1.4: Pozos horizontales.. Sistema de purificación o potabilización. Es el conjunto de instalaciones necesarias para hacer las debidas correcciones al agua para que se obtenga una calidad acorde al uso que se le vaya a dar. Si es para la población, la misma debe cumplir con lo establecido en la NC 93-02 en cuanto a los índices permisibles en las aguas de consumo, de las diferentes sustancias presentes en el agua. Las tareas que se efectúan en las potabilizadoras son:  Clarificación: Eliminación de sustancias no diluidas que le dan la turbiedad.  Decoloración: Eliminación de sustancias que dan mal color.  Descontaminación: Supresión de bacterias.  Destilación: Eliminación de sales diluidas.  Además, eliminación de olores, sabores, gases, etc.. 8.

(17) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. La captación de aguas subterráneas se realiza a través de pozos y en general no se efectúa tratamiento de agua alguno, salvo en ocasiones, la adición de cloro, la mayor parte de las veces como precaución, esto establece una enorme diferencia con las aguas superficiales, las que además de ser siempre desinfectadas, obligan a complejos tratamientos de potabilización, con un gran despliegue de equipos y el consecuente mayor empleo de energía. Las finalidades que se persiguen son:  Higiénicas.  Estéticas.  Económicas. La calidad del agua a entregar está sujeta al uso a que se destine: para consumo humano o de animales, para usar en lavanderías, en textileras, en centrales hidroeléctricas, para el enfriamiento de calderas, para el riego de plantaciones agrícolas, etc. No tiene que ser la misma, por tanto, el tratamiento se asume de acuerdo al uso. Sistema de conducción. Es la línea que va desde la fuente hasta la potabilizadora (en caso de fuentes de captación superficial) y a la red de distribución. Está conformada, por lo general, por tuberías que pueden ser de diferentes materiales: hierro fundido, hormigón, hormigón con centro de acero, asbesto cemento, plásticas, etc. Este sistema debe garantizar:  Entrega de agua necesaria.  Continuidad y seguridad.  Gastos mínimos de explotación. En la NC 53-121 se establecen las características a considerar en el diseño de conductoras.. 9.

(18) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. Elementos del sistema de conducción: Válvulas de aire, de desagüe, de cierre con sus correspondientes registros y todos los accesorios (codos, Tees, etc.) necesarios, para su normal funcionamiento. La colocación de las conductoras es en zanjas que se excavan con paredes verticales o inclinadas (para grandes profundidades), se colocan las tuberías y se rehínchan con material adecuado hasta el nivel del terreno como se muestra en el esquema de la figura 1.5.. Figura 1.5: Colocación de las conductoras en zanjas.. Tanques. Los tanques del sistema son depósitos de compensación y distribución que reciben el bombeo de las fuentes, por lo tanto, su función básica es compensar y distribuir la demanda del sistema a los sectores poblacionales asociados a los mismos. Son depósitos necesarios para suplir las diferencias entre el suministro y el consumo del agua almacenada. Según el método de entrega pueden ser: Forzados o activos y Libres o pasivos. Los Forzados no requieren bombeo para efectuar las entregas y los Libres requieren bombeo si no están situados en lugares altos que garanticen la entrega por gravedad.. 10.

(19) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. Según su construcción pueden ser: Elevados o Apoyados. Los Elevados se construyen sobre columnas para ganar altura y los Apoyados se construyen sobre el terreno, por lo que casi siempre se sitúan sobre una elevación natural. Según su función pueden ser: Compensadores o De reserva, los compensadores trabajan en diferentes momentos del día de modo tal que se van compensando las entregas y el trabajo de la estación de bombeo y los de reserva acumulan el agua para entregarla en momentos deficitarios. El volumen de los tanques se determina mediante el gráfico de consumos y de no existir éste se asumirá para los apoyados del 30 al 50 % de la Demanda Máxima Diaria (DMD) y para los elevados del 10 al 15 % de la DMD. Red de distribución. Es el conjunto de tuberías y accesorios que conducen el agua desde el tanque hasta el consumidor. Está compuesta de tuberías maestras o principales y secundarias o de relleno. Según su configuración en planta pueden ser Abiertas o Cerradas. Las Abiertas están conformadas por ramales abiertos y las Cerradas por circuitos cerrados que proporcionan el mantenimiento de las presiones, en las figuras 1.6 y 1.7 se muestran ambos casos.. Figura 1.6: Red de distribución abierta o ramificada.. 11.

(20) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. Figura 1.7: Red de distribución cerrada o mallada.. Red de distribución abierta o ramificada En las redes ramificadas, el agua circula por la red en un único sentido. A través de una tubería principal se van conectando tuberías secundarias, terciarias, etc., cada vez con un diámetro menor. Son llamadas también redes de distribución arboladas, por su semejanza con las ramas de los árboles.(Fernández 2014) Red de distribución cerrada o mallada Como su propio nombre indica, éste tipo de redes se disponen en forma de malla o cuadrícula. A diferencia de las redes ramificadas, en éstas redes el agua puede circular en cualquier sentido, por lo que, cada punto de la red se puede abastecer por diferentes tuberías, una avería en una tubería no implica dejar sin servicio a una parte de la red. Éste hecho complica el cálculo de éste tipo de redes, por lo que hoy en día se utilizan potentes y costosos programas de ordenador para su diseño. (Fernández 2014) La red de distribución debe garantizar:  Capacidad de conducción.  Seguridad.  Economía.. 12.

(21) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. El cálculo de la red de distribución se realiza para las tuberías maestras, para las secundarias se asume el diámetro  100 mm, para que por las mismas se pueda transportar el gasto para la extinción de incendios. 1.2 Requisitos para un sistema de abasto de agua según las normas vigentes. El objetivo del servicio de acueducto es entregar a los usuarios un agua de calidad que cumpla con todos los parámetros que la hacen inocua para la salud por lo que es necesario mantener el control de las características biológicas de todo el sistema, así como de los materiales utilizados en la conducción de este producto a los usuarios. Para ello es necesario regirse por las normas nacionales e internacionales aprobadas y vigentes para el abasto de agua potable. Normas cubanas En relación a los sistemas de abastecimiento se emplean diferentes normas cubanas algunas de ellas son:  NC 93-01-209: 1990 Sistema de Normas de Protección del Medio Ambiente. Hidrosfera. Procedimientos de Cálculo para la Determinación de la Zona de Protección Sanitaria. Cuba. La norma establece los procedimientos de cálculo para la determinación de las zonas de protección sanitaria para una fuente de abasto enclavada en un acuífero. Lo dispuesto en esta norma es válido para todo nuevo trabajo que se realice, esté en etapas de construcción, de ampliación, o de simple planeamiento. Con la utilización de ella se evita una contaminación del medio ambiente, en este caso las aguas subterráneas; se ubica correctamente el pozo a construir en la zona adecuada para ello, donde exista un mayor caudal de acuerdo a la geología del terreno, evitando así la construcción de pozos en lugares inapropiados como son terrenos contaminados o simplemente con escaso manto freático para satisfacer la demanda de agua. (Morales 2008)  NC 93-11/1986 Higiene Comunal. Fuentes de Abastecimiento de Agua. Calidad y protección sanitaria, Cuba.. 13.

(22) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. Esta norma establece los requisitos que se deben cumplir en cuanto a la calidad del agua, y se definen las características para su protección sanitaria. En ella se precisa que todos los casos de utilización de una fuente de abastecimiento de agua, será aprobada por las autoridades sanitarias e hidroeconómicas correspondientes en nuestro país, lo cual permite garantizar el uso de los recursos hidráulicos en buen estado, de forma eficiente y económica para su consumo.(Morales 2008)  NC 93-02/1985 Higiene Comunal. Agua potable. Requisitos sanitarios y muestreo, Cuba. La norma establece los requisitos sanitarios del agua potable y el muestreo para el control de la misma. Se aplica a todas las aguas para consumo que se entreguen por cualquier sistema de abastecimiento público de agua individual o especial en todo el territorio nacional. Con la utilización de esta norma en el proceso de tratamientos de aguas se permiten corregir las características del agua obtenida de la fuente de abasto para el consumo de la misma; se toman muestras para ensayos físicos, químicos y bacteriológicos con la periodicidad de dos veces al año, como mínimo en las fuentes de aguas subterráneas. (Morales 2008)  NC 176: 2002 Sistema de Abasto de agua en Edificios. Requisitos de Proyecto. Cuba.. En la norma se implantan los requisitos que se cumplirán en la elaboración de proyectos de sistemas de abasto de agua. Se crean volúmenes de almacenamiento en sistemas hidráulicos cisterna y tanque elevado, o fuente y tanque elevado, la creación de estos sistemas según la norma se hace indispensable para su correcto funcionamiento, pues en ellos se garantizan las presiones requeridas por los muebles sanitarios y los caudales a suministrarles en los horarios más críticos para asegurar un correcto funcionamiento. Con la utilización de la norma se definen los ciclos de abasto de agua a la población, y operación del sistema hidráulico, así como la demanda de agua a suministrar, lo cual permite especificar las características de la fuente a explotar. (Morales 2008). 14.

(23) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. Normas Extranjeras Dentro de las normas extranjeras relacionadas con los sistemas de abastecimiento se encuentran:  GOST 17.1.3.06:83 Hidrosfera. Requisitos generales para la protección de las aguas subterráneas.  BSD 17.1.3.03:83 Hidrosfera. Requisitos generales para la protección de las aguas subterráneas.  Norma internacional ST CAME 3079-81 Hidrosfera. Requisitos generales para la protección de las aguas subterráneas. Estas normas en general van referidas a la protección de las aguas subterráneas y a su vez, a una defensa directa en el cuidado del medio ambiente. Para ello se ejercen un conjunto de medidas encaminadas a la preservación del estado cualitativo y cuantitativo de estas aguas; es importante proteger el área cercana al pozo de extracción ya que el riesgo de contaminación varía en relación con la distancia entre la fuente de contaminación y el pozo de extracción; también se aprecia como las zonas de protección dependen de circunstancias hidrogeológicas diferentes. (Morales 2008)  Norma Boliviana NB 512: Agua Potable Requisitos - octubre 2004. Esta norma extranjera establece los requisitos de calidad y protección sanitaria de las fuentes de abastecimiento de agua para los sistemas públicos, lo que es de gran importancia y de ayuda para la realización de diseños de este tipo. Esta agua es destinada al consumo humano y a la elaboración de alimentos y con esta norma se controla y se previene su contaminación.  Norma Española EMACSA: Norma de Abastecimiento de Agua -10/ 2012. Esta norma tiene por objeto facilitar la información técnica necesaria y establecer los criterios que han de cumplir las redes e instalaciones de abastecimiento de agua en su proyecto y construcción.. 15.

(24) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. Relación entre las normas extranjeras y las cubanas De forma general las normas extranjeras y cubanas coinciden con los mismos objetivos de evitar enfermedades a los seres humanos y daños al medio ambiente, en lo referente a los sistemas de abastecimiento de agua potable, contribuyendo así al uso racional de los recursos hidráulicos. Las normas cubanas responden a las definiciones de agua potable establecidas por la Organización Mundial de la Salud (OMS), las cuales consisten en presentar las concentraciones de microorganismos y sustancias máximas permisibles que puedan estar presentes en el agua, sin que afecte la salud del hombre. Las normas extranjeras varían ligeramente en los diferentes países, de acuerdo a su infraestructura social, aunque los objetivos que se persiguen son los mismos, además, periódicamente son revisadas por la OMS y modificadas. (Morales 2008) Normas cubanas por las que se rige la Empresa de Acueducto y Alcantarillado EAA Varadero para el sistema de abasto de agua potable Santa Marta – Varadero. La materia prima para el producto agua potable es el agua de fuentes naturales que cumple los requisitos establecidos en la norma NC 1021-2014 Higiene Comunal. FUENTES DE ABASTECIMIENTO DE AGUA. Calidad y Protección Sanitaria. Esta norma establece los parámetros físico- químicos que debe cumplir el agua para ser suministrada a un acueducto además de la protección a que deben estar sometidas las fuentes para evitar su contaminación. El agua cruda obtenida de las fuentes de abasto es sometida al proceso de potabilización, que en nuestro caso es sólo de desinfección pues son fuentes de abasto subterráneas, mediante la inyección de Cloro Gas o Hipoclorito de sodio en dependencia del sistema, hasta llegar al valor establecido en la NC 827:2012 Agua Potable – Requisitos Sanitarios que define los parámetros físicos, químicos, microbiológicos y organolépticos que tiene que cumplir el agua para ser considerada potable.. 16.

(25) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. El sistema de abastecimiento es el conjunto de obras destinadas a la distribución del agua potable, desde las estaciones de bombeo en las fuentes de abasto hasta el usuario en su domicilio, incluyendo depósitos y rebombeos. Este debe ser estanco y con posibilidad de cerrar circuitos para eventuales reparaciones sin afectar grandes áreas. Los requisitos sanitarios de estos sistemas están definidos en la NC 93 – 03:1985 Higiene Comunal. SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO PÚBLICO DE AGUA. Requisitos Sanitarios. También establece los requisitos sanitarios para el diseño y la construcción de redes, así como de los tanques de almacenamiento y estaciones de bombeo. Según las normas cubanas anteriormente mencionadas, el agua cumple con los parámetros de calidad requeridos, los cuales se referencian en el anexo 2 a partir de informes de la Empresa de Acueducto y Alcantarillado EAA Varadero. 1.3 Modelación Hidráulica para un sistema de abasto de agua. Un modelo hidráulico es la construcción digital (virtual) de una red de distribución de agua, que permite reproducir y prever el comportamiento de la misma, para poder realizar pruebas y definir soluciones. La utilidad práctica de un software hidráulico reside en que permite hacer pruebas de “qué es lo que pasaría si…”; esto sin grandes inversiones de tiempo y dinero.(Beerhalter 2000) Importancia de un modelo hidráulico Una vez realizado un modelo hidráulico, una empresa de agua tendrá una herramienta con muchas ventajas, que crea sinergias por toda la empresa:  Manejo de redes sin grandes conocimientos de mecánica de fluidos.  Toma de decisiones referidas a operación, mantenimiento, ampliación sin gran riesgo y –por lo tanto- mayor seguridad de éxito.  Mejoramiento de la solidez de la red, aspecto referido a evitar instalaciones y desinstalaciones interminables (por ejemplo, determinar dónde instalar los depósitos, válvulas y bombas).. 17.

(26) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE.  Es un instrumento para explicar inversiones o cambios en la red, que evita conflictos sociales y con las autoridades.  Permite el análisis de la red en simulación estática o extendida (patrones de demanda: agrícola, industrial, comercial y residencial).  Posibilita el análisis de Calidad del Agua (tiempo de permanencia, concentración de cloro, calcio, magnesio y otras sustancias en la red).  Permite el análisis de Protección contra Incendios (disponibilidad de agua para bomberos).  Asegurar el abastecimiento de la población (presiones) en caso de ampliaciones.. Aplicaciones para una modelación hidráulica en función del software utilizado. Cuando se realiza una modelación hidráulica se obtienen resultados del comportamiento de los caudales y velocidades en las tuberías, las presiones en los nudos, los niveles en los depósitos, y la concentración de sustancias químicas presentes en el agua a lo largo del periodo de simulación. Dependiendo del software empleado, se cuenta con las siguientes aplicaciones para la modelación hidráulica:(Beerhalter 2000)  Costos de Energía e Inversión.  Creación y aplicación de esquemas operativos.  Análisis de uso del agua.  Control en Tiempo Real.  Sectorización y Detección de Fugas.  Análisis de Vulnerabilidad.  Diseño de estanques, tuberías, represas etc.  Compatibilidad con otro software.. 18.

(27) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. 1.4 Softwares utilizados para realizar la modelación hidráulica de sistemas de abasto de agua potable. El cálculo hidráulico de las redes de agua a presión es un trabajo laborioso por los múltiples elementos que forman parte de una red. Para paliar este problema, se han desarrollado varios programas informáticos que permiten conocer el funcionamiento hidráulico de un sistema a partir de un modelo que representa el sistema físico real; la gran mayoría de ellos cuentan con el Método de Gradiente Hidráulico como base de su algoritmo de cálculo. Cada uno de estos programas nos permite no sólo el diseño mediante la realización de los cálculos, sino que también nos facilita los resultados en formato gráfico y un informe dónde se indican los cálculos realizados y los resultados obtenidos. Dentro de estos programas (algunos de código abierto y otros comerciales) se pueden destacar: (Pardo, Jover et al. 2012) WATERCAD: Bentley WaterCAD es un software comercial de análisis, modelación y gestión de redes a presión (sistemas de distribución o de riego), propiedad de la Empresa de Software Bentley Systems, Incorporated que produce soluciones para el diseño, construcción y operación de infraestructuras en diversos campos. WaterCAD. permite. la. simulación. hidráulica. de. un. modelo. computacional. representado en este caso por elementos tipo: Línea (tramos de tuberías), Punto (Nodos de Consumo, Tanques, Reservorios, Hidrantes) e Híbridos (Bombas, Válvulas de Control, Regulación, etc.) (Anónimo 2017) WATERGEMS: Bentley WaterGEMS al igual que WaterCAD (producto de la misma casa de Software) permite la simulación hidráulica de un modelo computacional representado en este caso por elementos tipo: Línea (tramos de tuberías), Punto (Nodos de Consumo, Tanques, Reservorios, Hidrantes) e Híbridos (Bombas, Válvulas de Control, Regulación, etc.). No obstante, WaterGEMS agrega a las capacidades de análisis hidráulico incluidas en WaterCAD, el soporte a entornos SIG (Sistemas de Información Geográfica) y la inclusión de diferentes módulos de análisis avanzado.(Anónimo 2017) 19.

(28) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. H2OMAP: H2OMAPWater es la plataforma SIG más potente y práctica para soluciones de agua potable. Como un programa autónomo basado en SIG (Sistemas de Información Geográfica), H2OMAPWater combina herramientas de análisis espacial y funciones de mapeo con sofisticados y precisos modelos de red para una completa gestión de infraestructura y planificación de negocios. Realiza un modelado hidráulico y dinámico rápido, fiable y completo de la calidad del agua, la gestión de la energía (con verdadero bombeo variable de velocidad), simulación y control en tiempo real con interfaz SCADA en línea, análisis de flujo de fuego completo y descarga unidireccional. El programa también puede utilizarse eficazmente para analizar el sistema de recolección de alcantarillado presurizado. (Anónimo 2017) EPANET: Epanet es un programa para computador libre, que permite realizar análisis hidráulicos de sistemas de distribución de agua potable a partir de las características físicas de las tuberías y dinámicas de los nudos (consumos) para obtener la presión y los caudales en nodos y tuberías respectivamente. El programa es de dominio público y es desarrollado por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos. El mismo es capaz de trabajar con períodos de simulación sobre hidráulica y el comportamiento de la calidad de las aguas dentro de una red presurizada, además de estar diseñada para ser "una herramienta de investigación que mejore nuestro conocimiento del movimiento y destino del agua potable y sus constituyentes en una red de aguas". Si bien fue diseñado para agua potable también puede ser utilizado para el análisis de cualquier fluido no compresible con flujo a presión. (Rossman 2001) En la tabla 1.1 se muestran las generalidades de los softwares más utilizados para realizar modelaciones en los sistemas de distribución de agua potable.. 20.

(29) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. Tabla 1.1: Generalidades de los softwares. Software. WATERCAD. WATERGEMS. H2OMAP. EPANET. Desarrollador. Bentley. Bentley. MWH Soft. EPA. Systems, Inc. Systems, Inc. Software. Software. Elad Salomons. Lewis A.. propietario. propietario. Rossman. Última. V8i. V8i. 2.0.12. versión. SELECTSeries. SELECTSeries3. estable. 3. Agosto de 2011. Diseñador. 14 de. V1.1. febrero de. Agosto de 2011. 2008 Análisis de. Género. Análisis de Sistemas de Distribución. Análisis de. Modelación. Sistemas de. Sistemas de. y Análisis. Distribución con. Distribución. de. Integración GIS. con Integración GIS. Sistemas de Distribución. Sistema. Windows. Windows. Windows. Windows. Licencia. Comercial. Comercial. Comercial. Libre. En español. No. No. operativo. No. Sí. 21.

(30) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. 1.5 Generalidades del software a utilizar EPANET 2.0vE para el modelaje hidráulico del sistema de abasto de agua potable Santa Marta-Varadero.. EPANET es un software hidráulico gratuito que realiza simulaciones, en periodos prolongados, del comportamiento hidráulico y de la calidad del agua en redes de suministro a presión; calcula la evolución de los caudales y velocidades en las tuberías, las presiones en los nudos, los niveles en los depósitos, y la concentración de sustitutos químicos presentes en el agua, a lo largo del periodo de simulación.(Beerhalter 2000). Aplicaciones del software EPANET 2.0vE. EPANET contiene un simulador hidráulico avanzado que ofrece las siguientes aplicaciones:  Consideración de las pérdidas de carga.  Contempla pérdidas menores en codos, accesorios, etc.  Admite bombas de velocidad fija o variable.  Permite considerar varios tipos de válvulas, tales como válvulas de corte, de retención, y reductoras/ reguladoras de presión o caudal.  Admite depósitos de geometría variable (tanques circulares, cuadráticos, etc.)  Considera diferentes tipos de demanda en los nudos.  Permite modelar tomas de agua cuyo caudal depende de la presión.  Admite leyes de control simples, basadas en el valor del nivel en los depósitos o en la hora prefijada por un temporizador.(Beerhalter 2000) Limitaciones del software EPANET  Es recomendable para sistemas con tuberías con un diámetro de más de 75 mm.  No es directamente compatible con CAD-Software.(Beerhalter 2000). 22.

(31) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. 1.6 Estado Actual del sistema de abasto de agua potable Santa Marta-Varadero. . Estado Actual. Las fuentes en explotación para el suministro de agua a Varadero son de origen subterráneo, proveniente de acuíferos relativamente poco profundos. Actualmente existen en la cuenca M-IV trece pozos en explotación, de los cuales 9 suministran el agua a la Península de Hicacos. Dichos pozos están ubicados al sur del poblado de Santa Marta, donde aproximadamente a 9.5 Km se encuentra el pozo más alejado del Centro de Distribución (CD). El agua extraída cumple los parámetros de potabilidad que exige la Norma Cubana (NC 827) del 2012 sobre la potabilidad del agua. Esta cuenca está prevista para el abasto de agua en la Península de Hicacos y zonas aledañas a esta. En la tabla 1.2 aparecen los volúmenes y caudales autorizados de extracción de esta cuenca, así como el tiempo de explotación, según recomendaciones de la Empresa de Aprovechamiento Hidráulico de Matanzas, por cada una de las captaciones operativas. Tabla 1.2: Capacidad de bombeo y tiempo de servicio de las captaciones de agua.. Al cierre del 2012 el volumen entregado para la Península de Hicacos desde las captaciones fue de 12.251.025 m3 de agua, donde se pierden por pérdidas físicas, comerciales y otras el 30 % de este volumen suministrado o sea aproximadamente 3.675.308 m3 en el año. 23.

(32) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. En el 2014 se construyó un pozo adicional con una capacidad de extracción de 80 l/s y un tiempo de bombeo diario de 24 horas, por lo que la capacidad de bombeo fue incrementada, como se muestra en la tabla 1.3. Tabla 1.3: Capacidad de bombeo y tiempo de servicio actual.. Sistema de conducción del agua de las captaciones al Centro de Distribución. La red de conductoras tiene 22.98 km de longitud con diámetros de 600, 760 y 900 mm diseñada para asimilar el volumen máximo aprobado para el abasto de la Península de Varadero de 1000 l/s de la cuenca M-IV, constituidas de materiales Hierro Fundido (HF), Centro Acero (CA) y Fibra de Vidrio (FV). Estas conductoras conducen el agua desde Tierras Negras hasta el Centro de Distribución, ubicado en Santa Marta, todo el volumen de agua captada no llega al centro perdiéndose un 2% del volumen total extraído, esto se debe a las pérdidas de agua por fricción y a los caseríos que se encuentran conectados a estas. En la figura 1.8 se muestra el sistema de distribución de agua desde las captaciones hasta el Centro de Distribución, a modo de esquema, donde al agua es almacenada en 2 tanques apoyados de 10 000 m 3 cada uno, y de este punto es re-bombeada a Santa Marta y la Península de Hicacos.. 24.

(33) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. El volumen de agua que llega desde las captaciones al Centro de Distribución es medido por caudalímetros de inserción que verifican las pérdidas de agua existentes en las conductoras.. Figura 1.8: Conductoras desde el campo de pozos al Centro de Distribución.. Capacidad de Reserva. En el Centro de Distribución se encuentran los 2 tanques apoyados con capacidad cada uno de 10 000 m3, en total existe una capacidad de reserva del 39.4% del volumen de agua suministrado al sistema Santa Marta – Península de Hicacos, o sea servicio durante 8 horas sin incorporación del campo de pozos según datos históricos almacenados en la base de datos. La figura 1.9 muestra el sistema Santa Marta – Península de Hicacos, el cual, es abastecido con 2 bombas de 200 l/s cada una a una presión de 2 bar, y la zona hotelera de Nuevo Desarrollo con 1 bomba de 200 l/s a una presión de 2 bar.. 25.

(34) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. Figura 1.9: Esquema de distribución de agua.. Los dos sistemas que abastecen la Península de Hicacos tienen variadores de frecuencia para mantener la presión requerida y disminuir el coste de electricidad. El Centro de Distribución tiene un grupo electrógeno capaz de suministrar energía para mover las 3 bombas instaladas en la actualidad, con capacidad de combustible para 7 días.. 26.

(35) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. CAPÍTULO II: MODELACIÓN HIDRÁULICA MEDIANTE EL SOFTWARE EPANET 2.0vE DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTA - VARADERO. 2.1 Caracterización del sistema de abasto de agua potable Santa Marta – Varadero en el software EPANET 2.0vE. EPANET modela los objetos físicos que constituyen el sistema de distribución, así como sus parámetros operacionales y los detalles de cómo esta información se introducen en el programa. Componentes Físicos. EPANET modela un sistema de distribución de agua cómo una serie de líneas conectadas a nudos. Las líneas representan tuberías, bombas y válvulas de control. Los nudos representan conexiones, tanques y embalses. La figura 2.1 muestra cómo estos objetos pueden ser conectados para representar una red de distribución de agua potable.. Figura 2.1: Componentes físicos de un sistema de distribución.. 27.

(36) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. Nudos de Caudal Los nudos de caudal o conexiones son puntos en la red donde confluyen las tuberías, y a través de los cuales el agua entra o sale de la misma (también pueden ser solo puntos de paso). Los datos básicos imputados a los nudos son: . La cota respecto a un nivel de referencia, usualmente el nivel del mar.. . La demanda de agua (flujo que abandona la red).. . La calidad inicial del agua.. Los resultados obtenidos para los nudos en cada uno de los periodos de la simulación son: . La altura piezométrica (energía interna por unidad de masa del fluido, o bien suma de la cota más la altura de presión).. . La presión.. . La calidad del agua.. Los nudos de caudal también pueden: . Presentar una demanda variable en el tiempo.. . Tener asignados distintos tipos de demanda (doméstica, industrial, etc.).. . Presentar una demanda negativa, indicando que el caudal entra a la red a través del nudo.. . Ser punto de entrada de un contaminante a la red.. . Tener asociado un emisor (o hidrante), cuyo caudal de salida depende de la presión.. Embalses Los embalses son nudos que representan una fuente externa de alimentación, de capacidad ilimitada, o bien un sumidero de caudal. Son utilizados para modelar lagos, ríos, acuíferos subterráneos y conexiones a otros sistemas. Los embalses pueden utilizarse también como puntos de entrada de contaminantes, convirtiéndose así, en fuente de calidad del agua. 28.

(37) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. Las propiedades básicas de un embalse son su altura piezométrica (que coincidirá con la cota de la superficie libre del agua, si éste se encuentra a la presión atmosférica) y la calidad del agua en el mismo, en caso de realizarse un análisis de calidad. Dado que un embalse actúa como un elemento de contorno del sistema, su altura y calidad del agua no se verán afectados por lo que pueda ocurrir en la red. Por consiguiente, no existen resultados derivados del cálculo en los mismos. No obstante, su altura puede hacerse variar con el tiempo asociándole una curva de modulación. Tanques. Los tanques o depósitos son nudos con cierta capacidad de almacenamiento, en los cuales el volumen de agua almacenada puede variar con el tiempo durante la simulación. Los datos básicos para los tanques son: . La cota de solera (donde el nivel de agua es cero).. . El diámetro (o geometría si no es cilíndrico).. . Los valores iniciales, máximos y mínimos del nivel de agua.. . La calidad inicial del agua.. Los principales resultados asociados a un tanque, a lo largo de la simulación, son: . La altura piezométrica (cota de la superficie libre del agua).. . La calidad del agua.. El nivel del agua en los tanques debe oscilar entre el nivel mínimo y el nivel máximo. EPANET impide la salida del agua del tanque cuando está a su nivel mínimo y detiene la entrada de agua cuando está a su nivel máximo. Los tanques también pueden utilizarse como fuente de calidad del agua.. 29.

(38) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. Tuberías. Las tuberías son líneas que llevan el agua de un punto de la red a otro. EPANET asume que todas las tuberías se encuentran completamente llenas en todo momento, y por consiguiente que el flujo es a presión. La dirección del caudal es siempre del nudo de mayor altura piezométrica al de menor altura piezométrica (energía interna por unidad de peso del agua o bien suma de la cota más la presión). Los principales parámetros hidráulicos de una tubería son: . Los nudos de entrada y salida.. . El diámetro.. . La longitud.. . El coeficiente de rugosidad (para determinar pérdidas).. . Su estado (abierta, cerrada o con una válvula).. Los parámetros de estado de las tuberías se emplean para contemplar elementos tales como: válvulas de corte o seccionamiento, o válvulas de retención (válvulas que permiten el paso del flujo en un solo sentido) sin tener que modelar estos elementos explícitamente. Los resultados de una tubería contemplan: . El caudal de circulación.. . La velocidad del flujo.. . La pérdida de carga unitaria.. . El factor de fricción para la fórmula de Darcy-Weisbach.. . La variación de la velocidad de reacción (a lo largo de su longitud).. . La variación de la calidad del agua (a lo largo de su longitud).. Estos dos últimos resultados se obtienen cuando se realiza un análisis de la calidad del agua en la red de distribución. Las pérdidas de carga (o altura piezométrica) en una tubería debido a la fricción por el paso del agua puede calcularse utilizando tres fórmulas de perdidas diferentes: 30.

(39) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. . La fórmula de Hazen-Williams.. . La fórmula de Darcy-Weisbach.. . La fórmula de Chezy-Manning.. La fórmula de Hazen-Williams es la más utilizada en el ámbito anglosajón. No se puede usar con otro líquido que no sea agua y fue desarrollada original y únicamente para régimen turbulento. Desde el punto de vista académico la fórmula de DarcyWeisbach es la más exacta, y es aplicable a todo tipo de líquidos y regímenes. Finalmente, la fórmula de Chezy-Manning es utilizada usualmente para canales y tuberías de gran diámetro, donde la turbulencia está muy desarrollada. Bombas. Las bombas son líneas que aportan energía al fluido elevando su altura piezométrica. Los datos principales de una bomba son sus nudos de aspiración e impulsión y su curva característica (relación entre la altura y caudal de la bomba). El resultado principal asociado a una bomba es el incremento de altura comunicada al fluido. El caudal a través de una bomba es de sentido único, y EPANET no permite a la bomba operar fuera del rango delimitado por su curva característica. También se puede considerar la variación de velocidad de las bombas, la cual puede fijarse y modificarse bajo las condiciones descritas anteriormente. Por definición, la curva característica que aporta el programa tiene un corrector de velocidad de 1. Si se dobla la velocidad de la bomba, entonces el corrector será de 2; si la velocidad es igual a la mitad, el corrector tendrá el valor de 0.5. Cambiando la velocidad se modifica la posición y la curvatura de la curva característica. Al igual que las tuberías, las bombas pueden activarse (arranque) y desactivarse (desconectarse) en determinados momentos establecidos por el usuario o bien cuando existan ciertas condiciones en la red. El modo de operación de la válvula puede describirse asignándole un patrón de tiempos con los correctores de velocidad. EPANET también puede tener en cuenta el consumo de energía y el coste de la bomba. A cada bomba se le puede asignar una curva de eficiencia y una lista 31.

(40) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. de precios de energía. Si no se dispone de estos valores entonces utiliza condiciones energéticas generales. El caudal que atraviesa una bomba es unidireccional. Si las condiciones del sistema requieren que la bomba trabaje fuera de sus posibilidades, EPANET intentará desconectarla. Si el sistema requiere un caudal mayor que el que puede trasegar, EPANET extrapolará una curva para el caudal requerido, aunque produzca una altura negativa. En ambos casos aparecerá un mensaje de advertencia. Válvulas. Las válvulas son líneas que limitan la presión o el caudal en puntos específicos de la red. Los datos principales de una válvula son: . Los nudos de entrada y salida (aguas arriba y aguas abajo).. . Diámetro.. . Consigna (tarado).. . Estado.. Los resultados asociados con una válvula son básicamente el caudal de paso y la pérdida de carga. Los diferentes tipos de válvulas que incluye EPANET son: . Válvulas Reductoras de Presión (VRP): tratan de limitar la presión en el nudo aguas abajo de la válvula.. . Válvulas Sostenedoras de Presión (VSP): tratan de mantener la presión en el nudo aguas arriba de la válvula.. . Válvulas de Rotura de Carga (VRC): fuerzan el valor de la caída de presión a través de la válvula.. . Válvulas Controladoras de Caudal (VCQ): limitan el caudal a través de la válvula a un valor prefijado.. 32.

(41) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. . Válvulas Reguladoras por Estrangulación (VRG): simulan una válvula parcialmente cerrada ajustando adecuadamente el valor del coeficiente de pérdidas menores.. . Válvulas de Propósito General (VPG): se utilizan para representar una línea cuya relación pérdida-caudal es proporcionada por el usuario, en lugar de seguir el comportamiento típico de las válvulas establecido por la ecuación de pérdidas.. 2.2 Modelación con el software EPANET 2.0vE. Pasos a seguir para modelar y caracterizar un sistema de distribución de agua potable con EPANET: 1. Dibujar una representación o esquema de la red del sistema de distribución o importar una descripción básica de la red en un fichero de texto. 2. Editar las propiedades de los objetos que conforman el sistema. 3. Describir el modo de operación del sistema. 4. Determinar las opciones de análisis. 5. Realizar el análisis hidráulico o de calidad del agua. 6. Obtener los resultados del análisis. Red de distribución de abasto Santa Marta – Varadero. La red de distribución mostrada en la figura 2.9 representa el sistema de abastecimiento de agua potable Santa Marta-Varadero que, en su composición, contempla al actual poblado de Santa Marta y al polo turístico Varadero. La fuente está conformada por un campo de pozos de bombeo que comienza en el pozo P-IV (estación principal). El sistema está compuesto por 9 estaciones de bombeo: La Fé, El Precioso, P-IV, Cuevas Nuevas, PI-2, V-1, P-1, V-2 y Cuevas Viejas, concebidas originalmente para que 6 funcionen durante la operación y 3 trabajen según la necesidad del sistema o como reserva.. 33.

(42) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. El agua bombeada desde la estación principal se conduce por una conductora principal, las otras estaciones de bombeo tributan a la misma. El sistema cuenta con 2 tanques que son depósitos que reciben el bombeo de las fuentes y su función básica es compensar y distribuir la demanda del sistema a los sectores poblacionales asociados a los mismos. Estos depósitos tienen capacidad de 10 000 m 3 cada uno, cota de solera de 3m, diámetro de 36m, nivel inicial de 7m y mínimo de 4m y el nivel máximo de ambos tanques es de 9.5m, con altura de 10m. Los tanques cumplen con las mismas propiedades y operan como si fuesen uno solo. Se representan de esta forma en el software debido a que están conectados entre sí, garantizando que el nivel en ambos sea el mismo independientemente del caudal a extraer. Por estas condiciones; se puede representar el volumen total (20 000 m 3) en un solo tanque para facilitar la modelación en el software EPANET 2.0vE. Las propiedades del tanque, los nudos, tuberías, embalses, válvulas y bombas que componen el sistema se pueden observar en el anexo 1 en las tablas: 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5 y 2.6. Configuración del proyecto en el software EPANET 2.0vE El primer paso es crear un nuevo proyecto en EPANET y comprobar que las opciones por defecto son las deseadas. Para comenzar, lanzar EPANET, si no está ya en ejecución, y seleccionar en la barra de menús, la opción Archivo>>Nuevo para crear un nuevo proyecto. A continuación, seleccionar Proyecto>>Valores por Defectos para abrir el diálogo mostrado en la figura 2.2.. 34.

(43) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. Figura 2.2: Diálogo de Valores por defecto.. Utilizaremos este diálogo para dejar que EPANET ponga el identificativo automáticamente a los nuevos objetos a medida que son añadidos a la red, asignándoles números consecutivos a partir del 1. Para ello en la página del diálogo etiquetada con identificativos ID, borrar todos los prefijos y fijar el Incremento ID en 1. A continuación abrir la página de Opciones Hidráulicas como muestra la figura 2.4 del mismo diálogo y elegir la opción LPS (litros pos segundos) para las Unidades de Caudal. Ello conlleva que las unidades convencionales SI (Sistema Internacional) sean utilizadas también para las restantes magnitudes (longitudes en m, diámetros en mm, presión en mca, etc.). Seleccionar igualmente la fórmula de Hazen Williams(H-W) para el cálculo de las pérdidas de carga. Seguidamente validar la casilla Guardar, que figura al pie del diálogo, antes de asumirlas definitivamente con la opción Aceptar.. 35.

(44) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. Figura 2.3: Página de Opciones Hidráulicas en el diálogo Valores por Defectos.. A continuación, se seleccionan algunas opciones relativas a la visualización del esquema, de modo que, con la adición de objetos al mismo, podamos ver sus símbolos e identificativos inmediatamente. Se selecciona Ver >> Opciones para abrir el cuadro de diálogo de Opciones del Esquema. Seleccionar la página de Etiquetas de dicho diálogo y habilitar las opciones mostradas en la figura 2.4.. Figura 2.4: Diálogo de Opciones para el Esquema de la Red.. A continuación, pasar a la página Símbolos y habilitar todas las opciones, pulsar el botón Aceptar para ratificar todas las opciones y cerrar el diálogo. 36.

(45) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. Finalmente, antes de dibujar nuestra red debemos comprobar que la escala fijada para el esquema es adecuada. Seleccionar Ver >> Dimensiones en el menú principal para abrir el diálogo Dimensiones del Área de Dibujo, y observar las coordenadas asignadas por defecto para el área de trazado de la red. Admitiremos que son suficientes para éste ejemplo, de modo que pulsamos el botón Aceptar como se observa en la figura 2.5.. Figura 2.5: Dimensiones del Área de Dibujo.. Dibujo de la red del sistema de abastecimiento de agua potable Santa Marta – Varadero en el software EPANET 2.0vE. Para dibujar la red hidráulica de abastecimiento se utilizan los botones de la Barra de Herramientas del Esquema, la cual se muestra a continuación en la figura 2.6. Si la barra no estuviese visible seleccionar Ver >>Barra de Herramientas >> Esquema.. Figura 2.6: Barra de Herramientas del Esquema.. -Primero que nada, se añaden las galerías de agua. Pulsar el botón Embalse. ,y. a continuación marcar sus posiciones sobre el área de dibujo. -Añadir los nudos de caudal, pulsar el botón Nudo de Caudal. y marcar sus. posiciones sobre el área de dibujo.. 37.

(46) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. -Finalmente añadir los tanques pulsando el botón. y marcando sobre el área sus. posiciones como se observa en la figura 2.7.. Figura 2.7: Esquema de la red después de añadir los nudos.. A continuación, añadiremos las tuberías. Comenzar con la tubería 1, que conecta los nudos 1 y 10. Primeramente pulsar el botón Tubería. de la barra de herramientas,. a continuación pulsar el nudo 1 del esquema, y seguidamente el nudo 10. Mientras se desplaza la tubería del nudo 1 al 10 se observará un trazado provisional de la misma, repetir el mismo procedimiento para las tuberías que conectan a los nudos 11-12, 12-13, 13-14, 14-15, 14-16, 2-17, 2-18 y así sucesivamente excepto los tramos donde existan válvulas o bombas; como se muestra en la figura 2.8.. 38.

(47) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. Figura 2.8: Esquema de la red después de añadir las tuberías.. A diferencia de las anteriores, las tuberías 53 y 55 están curvadas, para dibujarlas pulsar primero sobre el nudo 71 correspondiente a la primera tubería, mientras se desplaza hacia el nudo 74, pulsar en aquellos puntos donde se requiera un cambio de dirección para darle a la tubería el trazado deseado. El proceso se completa pulsando sobre el nudo 74. Para modificar la forma de las conducciones se puede utilizar también el botón Vértice. de la siguiente forma:. 1. Seleccione la conducción y después haga clic en el botón vértice en la barra de herramientas para poner el plano en el modo Selección de Vértices. 2. Seleccione el extremo de la conducción con un clic y arrástrelo hasta la nueva posición manteniendo el botón del mouse apretado. 3. Se puede añadir o quitar nudos intermedios en la conducción apretando el botón derecho del mouse, teniendo seleccionada la conducción, y elegir la opción deseada en el menú que aparecerá.. 39.

(48) MODELACIÓN DEL SISTEMA DE ABASTO DE AGUA POTABLE SANTA MARTAVARADERO EMPLEANDO EL SOFTWARE EPANET 2.0VE. 4. Al terminar, se aprieta el botón. para volver al modo Selección de. Objetos. Para añadir las bombas, se hace clic sobre el botón bomba. , después hacer clic. sobre el nudo 10 y luego el nudo 11, los nudos 15-17, 16-18 y así sucesivamente donde se encuentren las bombas existentes en el sistema. Seguidamente se ubicaron las válvulas, utilizando el botón válvula. , para ello. pinchamos en el nudo 20 hasta el 21, del nudo 23 hasta el 24 y después repetiremos la operación en los nudos donde existen las válvulas restantes. Lo siguiente será identificar los tanques del sistema y los embalses o pozos de captación, con sus respectivas bombas de extracción. Se selecciona el botón de texto. en la barra de herramientas y se hace clic en. algún lugar cercano al embalse (Nudo 1). Aparecerá un cuadro de edición donde se escribe el nombre del pozo PI-4 y después se pulsa la tecla Enter. Se repite ésta operación con los demás pozos, y cerca de los tanques que hacen referencia al Centro de Distribución que se encuentra en la Empresa de Acueducto y Alcantarillado EAA Varadero en Santa Marta. Se selecciona el botón. en la barra de herramientas para que el esquema vuelva. al modo Selección de Objetos en vez del modo Inserción de Texto. La figura 2.9 muestra el esquema de la red de distribución de agua potable Santa Marta – Varadero después de ubicados los componentes físicos que la representan.. 40.