BENTLEY INSTITUTE

23/06/2018
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Diseño, modelación y gestión de
redes de distribución de agua
potable utilizando
WaterCAD/GEMS integrado al
AutoCAD
Instructor: Max Jimenez
CONCEPTOS BASICOS DE HIDRAULICA
PRINCIPIOS
FLUJO
VELOCIDAD
PRESION
CONTINUIDADENERGIA
PERDIDA DE
CARGA
METODOS DE
SOLUCION
PERDIDAS
MENORES

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• Flujo laminar – Flujo turbulento
• Flujo comprensible – Flujo incompresible
• Tubería cerrada – Canal abierto
• Tubería llena – Parcialmente llena
• Newtonianos – No Newtonianos
TIPOS DE FLUJO
FLUIDO NEWTONIANO

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• Modelación y diseño de sistemas de distribución de
agua
• Optimización de redes
• Irrigación a presión
• Protección contra incendios
• Evaluación de fugas
• Análisis de calidad de agua
• Tubería presurizadas de alcantarillado
• Aplicaciones industriales
APLICACIONES
• Volumen – tiempo : 𝑄 =
𝑉
𝑡
• Unidades comunes:
 L/s : litros por segundo
 m3/s : metros cúbicos por segundo (SI)
 m3/hr : metros cúbicos por hora
 ft3/s : pies cúbicos por segundo (FPS)
 gpm : galones / minuto
FLUJO

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• Flujo – Área:
o m/s : metro por segundo
o fps : pies por segundo
Rango de valores:
Tipico: 0.6 – 1.2 m/s
Alto: 1.5 – 2.5 m/s
Muy alto: >3 m/s
𝑉 =
𝑄
𝐴
VELOCIDAD
• Fuerza – Área: P =
𝐹
𝐴
o Psi : libras/pulgadas cuadradas (US)
o Pascal : Newton/m2 (SI)
o KPa : Kilo Pascal
o bar : 100KPa
o Atm : atmosfera (14,7psi – 10,33 mca)
PRESIÓN MANOMETRICA vs PRESIÓN ABSOLUTA
PRESIÓN

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• ESTANDARES
o Mínimo : 10 mH2O
o Normal: 20, 25, 30 mH2O.
o Máximo: 40 – 50 mH2O.
PRESIÓN
• CONVERVACION DE MASA:
MASA INGRESA = MASA SALE
Para flujo incompresible bajo condiciones estáticas:
Donde:
Qi= flujo en la tuberia – i que entra al nodo.
U = demanda del nodo.
PRINCIPIO DE CONTINUIDAD

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• Para condiciones dinámicas, el agua almacenada
en el reservorio:
FLUJO ingresa – FLUJO salida = variación en el almacenamiento
Donde:
 H= nivel de agua en el reservorio
 A= área del reservorio
 t= tiempo
 Q= caudal
 U= caudal usado directamente del reservorio
CONTINUIDAD EN RESERVORIO
«La energía no se crea ni se destruye, se transforma»
Donde:
 Z = elevación
 P = presión
 Y= peso especifico
 V= velocidad
 hp= cabeza agregada por bombas.
 hl=perdidas por fricción.
 hm=perdidas menores.
CONTINUIDAD EN RESERVORIO

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• Se considera entonces en la ecuación básica, 3 formas
de energía:
1. Presión :
𝑃
𝑦
2. Velocidad :
𝑉2
2𝑔
( se ignora en ocasiones)
3. Elevación : 𝑍
Donde:
p= presión
y= peso especifico del fluido
g= aceleración gravitacional
z = elevación
v= velocidad
PRINCIPIO DE CONSERVACION DE
ENERGIA
LGH= Línea de gradiente hidráulico
COTA PIEZOMETRICA= Elevación + Carga de presión
CARGA TOTAL = Cota piezometrica + Carga de velocidad
PERDIDA DE CARGA = diferencia de carga entre puntos.
CARGA HIDRAULICA

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CARGA HIDRAULICA
Darcy-Weisbach
Hazen Williams
Manning
ECUACIONES DE PERDIDA DE CARGA

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Donde:
h= perdida de carga
f= factor de fricción
L=longitud
D= diámetro
V= velocidad
g= aceleración de gravedad
Factor de fricción = f(rugosidad, Nº Reynolds)
𝑅𝑒 =
𝑉𝐷
𝑣
, donde(v= viscosidad cinemática).
El factor de fricción no es constate para en tubería. (Depende de las
condiciones de flujo).
DARCY-WEISBACH
DIAGRAMA DE MOODY

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Donde:
h= perdida de carga (m)
D= diámetro (m)
L= longitud(m)
C= C-factor Hazen- Williams
Q= caudal (m3/s)
ECUACION DE HAZEN-WILLIAMS
ℎ = 10.7
𝐿
𝐷4.87
∗
𝑄1.852
𝐶1.852
Coeficiente C
• Factor C
o Medido en campo
o Obtenido de calibración
• Tuberías rugosas -> Coeficiente C menor
• Especifico para el sistema
• Valores típicos
o 150 muy suave.
o 130 diseño típico.
o 40 tuberías viejas con incrustaciones.
HAZEN-WILLIAMS

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COEFICIENTES FRICCION HAZEN «C»
HAZEN-WILLIAMS
Donde:
V= velocidad (m/s)
R= radio hidráulico ( área/perímetro mojado)
h=perdida de carga (m)
L= longitud(m)
n= coeficiente de rugosidad de Manning
ECUACION MANNING
𝑉 =
1
𝑛
𝑅2/3
(
ℎ
𝐿
)1/2

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DARCY-WEISBACH HAZEN-WILLIAMS MANNING
Todos los fluidos Solamente agua Solamente agua
Difícil obtener «f» Fácil de obtener «C» Fácil de obtener «n»
Para todos los
regímenes
Flujo turbulento Flujo turbulento
No es usa
regularmente en
EE.UU.
Usada regularmente
en Perú
Usada regularmente
para alcantarillado
Sanitario
COMPARACIÓN ECUACIONES PERDIDA DE
CARGA
Perdidas localizadas causadas por:
• Accesorios
• Codos
• Válvulas
Descritos por el coeficiente K en la siguiente ecuación:
Donde:
h=perdida de carga menor.
k= coeficiente de perdida menor.
PERDIDAS MENORES
ℎ = 𝑘
𝑉2
2𝑔

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• NODOS: Uniones, tanques y reservorios
• CONEXIONES: Tuberías
• Bombas y válvulas son técnicamente conexiones, pero
son tratados como nodo.
REPRESENTACION DE LA RED
• En cada nodo hay una ecuación de conservación de masa.
Ejemplo: Q12 = Q25+Q23
• En cada conexión hay una ecuación de conservación de
energía:
Ejemplo: Conexión 2-3: H2 – H3 = R23 x Qb
23)
-Donde Rij y b dependen de la ecuación de fricción.
FORMULACIÓN DE LA RED

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Siendo.
N: Numero de Nodos (al menos uno debe tener carga
conocida)
M: Numero de mallas
L: Numero de Conexiones
Entonces el numero de ecuaciones para resolver la Red,
esta dado por:
L = M + (N – 1)
PROBLEMA
Se tiene un sistema de L ecuaciones no lineales, que no
puede ser resuelto en una forma cerrada (Se debe resolver
iterativamente)
PROBLEMA NÚMERICO
DISTRIBUCIÓN DE CAUDAL EN UNA RED
SIMPLE

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Hay 4 formas de reducir las ecuaciones generales a
sistemas mas simples:
• Método de Nodo (M ecuaciones)
• Método de Flujo (L ecuaciones)
• Método de Malla (L-M ecuaciones)
• Método de Gradiente o malla de nodo (M ecuaciones)
La Técnica de Newton-Raphson resuelve ecuaciones no
lineales iterativamente hasta que la solución tenga
convergencia
MÉTODO DE SOLUCIÓN
HISTORIA DE LA MODELACIÓN DE
SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN

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SIMULACIÓN DE ESTADO ESTATICO
• Estado Estático
• Simulación en Período Extendido (EPS)
• Calidad de Agua
o Edad
o Constituyente (Cloro residual, etc)
• Análisis Contra Incendio
• Optimización
TIPOS DE SIMULACIONES

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FIN
Es indispensable el uso de métodos
numéricos para resolver Redes de Tuberías

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TANQUES, BOMBAS Y
VÁLVULAS
TANQUES Y RESERVORIOS
- Almacenamiento, provisión en horas pico y
uniformización de presiones.
BOMBAS
- Añaden energía al flujo.
VÁLVULAS
- Control de condiciones de flujo y presión del sistema.
TANQUES, BOMBAS Y VÁLVULAS

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2
TANK:
• Volumen finito
• Nivel de agua variable
RESERVOIR:
• Volumen infinito
• Nivel de agua constante
TANKS and RESERVOIRS
• Proveer almacenamiento de emergencia.
• Regulación de presiones.
• Balancear consumo.
• Proveer presión en extremos durante horas
pico.
• Impactos negativos de calidad de agua.
- Tiempo de residencia largo.
- Mezcla pobre
IMPACTOS DE TANKS and RESERVOIRS

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3
• Curva característica:
 Carga
 Eficiencia
 Punto de operación
 NPSH requerido
BOMBAS
Usualmente 3 puntos son requeridos para definir la curva
característica:
Puntos típicos son:
- Carga de apagado (Q=0)
- Punto de máxima zona de eficiencia.
- Flujo máximo (H=0m).
DEFINIENDO LA CURVA CARACTERISTICA

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• Carga necesaria para mover el flujo por una
tubería.
• No hay una curva simple, sino una banda de
curvas.
• Depende de niveles en tanques y demandas.
• El sistema opera en la intersección de la curva
del sistema y la curva característica de la
bomba.
CURVA CARACTERISTICA DEL SISTEMA
VSP = B. Velocidad fija + Controlador variable
Cambio de velocidad = Cambia la curva de la bomba
Representación en el modelo:
• Modele como carga constante o descarga.
• Determine la velocidad externamente.
• Haga que el modelo determine la velocidad.
- Basado en un patrón
- Carga fija – nodo de control de carga
- Velocidad máxima
BOMBAS DE VELOCIDAD VARIABLE

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NO EXISTE UN ELEMENTO POZO EN EL MODELO
REPRESENTANDO UN POZO
2 métodos para representar pozos:
- Como un RESERVOIR + bomba.
- Como una demanda negativa.
ESQUEMA DE REPRESENTACION

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•Válvula Reductora de Presión (PRV)
Limita la presión de salida a un valor deseado
•Válvula Sostenedora de Presión (PSV)
Mantiene una presión mínima en la entrada
•Válvula Quebradora de Presión (PBV)
Asume una perdida de presión específica en la válvula
•Válvula de control de Flujo (FCV)
Limita el flujo de agua que pasa por la válvula a un valor
deseado.
•Válvula General (GPV)
De uso general, cualquier perdida o flujo.
•Válvula check
Permite flujo en una sola dirección.
TIPOS DE VALVULAS
•Válvula de Control
o Nodo compuesto
o Conexión con nodos de entrada y salida
•Válvula check – Propiedad de tubería
o Implícita en bombas
•Emisor de flujo – Propiedad de nodo
•Válvula de altitud – Incluida en tanques
•Medidores de agua
o Perdida menor en tubería
o Válvula de propósito general
o Función de totalización de flujo
VALVULAS EN EL MODELO

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• El usuario puede especificar el estado de la
válvula
o Activa
o Cerrada
o Inactiva
• Si esta activa, el estado es controlado por el
modelo
o Controlar – limitar presión
o Abierta – Solo perdida menor
o Cerrada – No flujo
ESTADO DE LAS VALVULAS REDUCTORAS
DE PRESIÓN
•Tipos
o Mecánicos o de rotor
o Ultrasonido
o Electromagnético
CAUDALIMETRO

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EMISORES DE FLUJO
• Propiedad de un nodo.
• Usado para representar hidrantes, aspersores, orificios,
demandas dependientes de presión.
• Flujo es agregado a las demandas.
• Puede ser utilizado para simular fugas.
• Especificar el coeficiente de emisor.
Q = k (P) x
Donde:
k: coeficiente del emisor (según el dispositivo)
x: exponente (generalmente 0.5)
Para una modelación fiable y realista, es necesario
conocer los dispositivos que conforman el sistema y
garantizar su adecuada representación.
FIN

1
CALIBRACION DE
MODELOS HIDRÁULICOS
CALIBRACIÓN
• Comparar valores observados vs. Modelados.
• Hacer ajustes de tal forma que el modelo reproduzca el
mundo real.
• Certeza en los modelos como una herramienta de decisión.

2
Por que calibrar?
• Correcta toma de decisiones
• Modelos precisos – buenas decisiones
• Confianza en resultados
• Esfuerzo interdisciplinario
ENTENDIMIENTO DEL SISTEMA + CERTEZA MODELO
=
AHORRO + OPTIMIZACIÓN DE INVERSIONES
PROCESO DE CALIBRACIÓN
ANALOGIA:
La calibración se puede entender cono una pantalla de
TV que enseña valores observados y predicciones y
muchos botones para predecir resultados.

3
INFORMACIÓN DE CAMPO
• Precisión
o Presión, elevación, gradientes: -+0.5 – 1 m
• Información SCADA
• Data Loggers
• Calibración de medidores
¿CUANDO Y COMO RECOLECTAR DATOS?
• Periodos de alta demanda
• No interrumpir el servicio
• Anotar parámetros operativos
• Reporte de incidencias
• Fronteras de carga conocida
o Tanques
o Válvulas reductoras de presión
o Bombas

4
PRUEBAS DE FLUJO
1. Medir presión estática
2. Abrir hidrante de flujo
3. Medir presión de prueba en hidrante residual
Nota. Registrar información operativa del sistema
Fuente:Haestad Methods , Advanced Water Distribution
Modeling and Management
PRUEBA DE RUGOSIDAD C
Utilización indirecta de ecuaciones de pérdida por fricción (Hazen-
Williams)
Fuente:Haestad Methods , Advanced Water Distribution
Modeling and Management
Donde:
h = pérdida de carga
LGH1= Línea de gradiente hidráulico 1.
LGH2 = Línea de gradiente hidráulico 2.

5
COMPARACIONES
Utilizar cotas piezométricas.
QUE PARÁMETROS CALIBRAR?
• Rugosidad
• Demanda
• Estado
Errores con demanda normal
Elevaciones, gradientes de frontera, consignas en válvulas
Errores de alto flujo
Válvulas cerradas, rugosidad, demandas

6
CALIBRACIÓN DINÁMICA (EPS)
• Calibración a lo largo de varios días
• Requiere simulación en tiempo extendido
GRAFICANDO RESULTADOS DE CALIBRACION

7
INTERPRETANDO LOS AJUSTES...
Preguntas:
• Son razonables los ajustes
• Hubo circunstancias especiales
o Demandas anormales
o Válvulas cerradas
Sentido común + criterio de ingeniería
OPTIMIZACIÓN
• Objetivo
Encontrar el mejor ajuste cumpliendo restricciones
• Técnicas de optimización
Ensayo y error, enumeración, programación lineal,
algoritmos genéticos...
Cual es la solución correcta?

8
ALGORITMOS GENÉTICOS
• Teoría de la selección natural
• Desarrollado en 70´s
• Aplicado a sistemas de agua en 90 ´s
• Genera pruebas de poblaciones
sucesivas
• Los mas fuertes sobreviven e
introducen soluciones mas deseables
DARWIN CALIBRATOR ®
Ajusta
• Rugosidad de tuberías
• Multiplicador de demanda
• Tuberías cerradas
Compara
• Presiones o gradientes en nodos
• Flujos en tuberías, bombas, válvulas

9
DARWIN CALIBRATOR – PASO 1
Datos de campo
• Entrar observaciones de campo
o Elementos: J-17
o Atributo: Carga
o Valor: 147 metros
• Múltiples escenarios y observaciones
• Ajustes de demanda
o Condiciones especiales de demanda
o Flujos extraordinarios
Grupos de calibración
• Grupos de demanda
• Grupos de rugosidades
• Grupos de estado
Ejemplos de criterios de agrupación
o Por antigüedad o material de tuberías
o Por zonas de mantenimiento o uso de suelo
Que tanto agrupar?

10
OPCIONES DE CALIBRACIÓN
• Tolerancia de estado
• Pruebas máximas
• Generaciones de no mejora
• Soluciones para guardar
• Numero de era máximo
• Numero de generación de era
• Tamaño de población
• Probabilidad de corte
• Probabilidad de empalmar
• Probabilidad de mutación
• Sembrando imparcialmente
Ejecutando la calibración
• Tipos de calibración
o Manual
o Optimizada
o Análisis de sensibilidad
• Rangos e incrementos
• Crear escenario de calibración

11
Comparación de resultados
• Modelado vs. Observaciones
• Análisis Estadístico
o Diferencia de cuadrados
o Valor absoluto
o Diferencia máxima
Interpretación de soluciones
• Grupos de demanda
o Selecciona un multiplicador para cada grupo
• Grupos de rugosidades
o Selecciona la rugosidad ajustada
• Grupos de estado
o Selecciona abierto o cerrado

12
PRUEBAS CON TRAZADORES
Modelo EPS + Calidad de agua
Simulación del movimiento de una
sustancia conservativa a través de la red

13
EVALUACIÓN DE CALIBRACIÓN CON
TRAZADORES
• Bueno para calibrar demandas y estados
• Pequeña cantidad estudios y práctica
• Usualmente implica mucho trabajo de campo
• Monitores económicos son deseables
QUE ES UNA CALIBRACIÓN BUENA?
• El fin del proceso lo define Usted
• 1er proceso – Verificación de datos de entrada
• Análisis de sensibilidad
El modelo debe
soportar la toma de
decisiones

1
1 © 2008 Bentley Systems, Incorporated
Aplicaciones del Modelo
• Planificación Maestra y expansiones
• Diseño preliminar y detallado
• Sectorización
• Caudales de incendio
• Selección de bombas
• Rehabilitación
• Planificación de emergencias
• Estudios de calidad de agua
• Estudios operacionales
• Ahorro de energía
Planificación Maestra
• Donde ocurrirá el crecimiento?
• Magnitud del crecimiento
• Que infraestructura es necesaria?
• Cuando invertir en mantenimiento?
- El futuro es desconocido –
Utilice las mejores estimaciones

2
Aspectos para planificación
maestra
• Modelos macro y micro
• Perfil del sistema
• Niveles de simplificación
• Modelos regionales
• Modelos estáticos multi-
anuales
• Confiabilidad de
infraestructura
• Evitar sobre-diseños
Perfil del sistema

3
Planificación de
expansiones
• Diseño interno detallado
• Conexiones al sistema existente
• Futuro desarrollo aguas abajo
• Considere flujos de incendio
• Almacenamiento vs. Tuberías
amplias
Conexión a un sistema
existente
Nueva
Subdivisión
?
6”
16”

4
Expansión futura del
sistema
Nueva
Subdivisión
?
6”
16”
Propuesta: principal de 24”
Diseñando cerca de área de
servicio
24”
12”
16” 12”
12”
Sin servicio futuro
Limite Área
de Servicio
24”
12”
24” 24”
12”
Con servicio futuro
Limite Área
de Servicio

5
Diseñando zonas de presión
• Decisiones con impacto a largo plazo
• Procurar facilitar la operación
• Definir rangos de presión adecuados
• Perfil de sistema para entender
problema
• No desperdicie energía de bombeo
Perfil del sistema
1000 m
700 m
800 m
920 m
300 m
150 m
50 m
Coloque el limite
de la zona de
presión y una VRP
Coloque el limite
de la zona de
presión y una
Bomba

6
Definiendo zonas
Zona
Aumentada
Zona Principal
Zona Reducida
Tanque
elevado
Tanque
enterrado
Estación de
Bombeo
VRP
Estudios de Rehabilitación
• Mejorar sistema actual
• Modelos detallados necesarios
• Entender condición existente
• Pruebas de caudal para incendio
• Exámenes de tuberías
• Pruebas de rugosidad
• Historia de roturas vs. Pérdidas
• Hablar con los operadores

7
Selección de bombas
• Caudal de diseño
• Curva del sistema
• Puntos operativos
• Combinaciones de
bombas
• Operación de estaciones
• Control automático
PumpMaster:
Selección automática de bombas
Versión Web gratis en:
www.pumpmaster.com
Detección de problemas
• Compare observaciones con el
modelo
• Encuentre válvulas parcialmente
cerradas
• Válvulas de control no calibradas
• La bomba no opera según su curva

8
Estudios operacionales
• Cambios en la operación de bombas
• Esquemas de control de válvulas
• Cambios en los límites de las zonas
• Preparación para cierres
• Entrenamiento de operadores
• Optimización de SCADA
Vulnerabilidad y confiabilidad
• Simular cortes de Energía
• Roturas de tuberías
• Eventos de terrorismo
• Contaminación accidental
• Robustez del sistema

9
Administrador de costos
• Integre costos con el diseño
• El usuario debe proveer precios
unitarios
• Incluya sólo elementos especificados
$/m
Diámetro
Usando el Administrador de
costos
Nivel de detalle Artículos a ser
incluidos
Diseñar el
sistema
Unidades y
funciones de costos
Ingresar cantidades
Calcule Costos
Observe los reportes

10
Darwin®
Designer
• Optimización con GA
• Diseño
– Total
• Restricciones
– Parcial
– Presión
– Velocidad
• Infraestructura
– Redes nuevas
– Rehabilitación
• Escenarios de diseño
Optimización multiobjetivo
Económica
Hidráulica
Multiobjetivo

1
Simulación en periodo extendido
(SPE)
• Rastrea el sistema a lo largo del tiempo
• SPE = series de estados estáticos unidos
(fotos)
• Los tanques representan las uniones entre
fotos
Ti
Tf
06:21 am 11:23 am 07:45 am
Por que usar
(SPE)??
• Dimensionamiento tanques
• Operación bombas y válvulas
• Entrenamiento operadores
• Cuantificación gasto de energía
• Análisis de calidad del agua

2
Simulación SPE
Ingreso
de datos
Condiciones
Iniciales
Primer paso
de tiempo
Resuelve
la Red
Chequeo
controles
Ultimo
paso?
Resultados
SI
NO
Información de una SPE
• Patrones de uso del agua
• Niveles iniciales tanques
• Secciones transversales
tanques
• Controles operacionales
• Duraciones y saltos de
tiempo
Estado Estático: Conectividad, Datos de tuberías, datos de
nodos, datos de bombas, datos de válvulas, niveles de agua en
tanques, etc...
+

3
Escalas de tiempo
• Distribución de agua
72 horas en pasos de 1 hora
• Sistema
Hidroneumático
2 horas en pasos de 10
minutos
• Reservorio
Pasos de 1 día por tres
meses
1. Duración
2. Tiempo de cálculo
Patrones de
demanda
• Variaciones temporales en el uso del agua
• Por tipo de demanda
- Ejm. Residencial, industrial, comercial
• Patrones detallados para grandes usuarios
• Literatura ofrece una primera aproximación
• Variables por temporada

4
Factores típicos
de demanda
Utilización de
Patrones
• Multiplicadores
• Asignados a
nodos
• Nodos
compuestos
• Repetitivos
Patrones escalonados o contínuos

5
Niveles en tanques
Controles
• Control operacional
– Propiedad del elemento controlado
– Limitado a una condición simple-
acción
• Control Lógico
– Se mantiene con alternativas
– Condiciones complejas - acciones

6
Controles Operacionales
• Estado (Lógico)
– Tubería: Abierta o Cerrada
– Bombas: Encendida o apagada
– Válvulas: Activa, inactiva (tubería) o
cerrada
• Configuración
– Bombas: factor de velocidad relativa
– Válvulas: Presión, flujo o coeficiente de
perdida de carga
Nodos de control
OFF cuando nivel > 451 m
ON cuando nivel < 448 m
Bomba
Estado inicial = ON
Controlado por Tanque A
Tanque A

7
Controles Simples
• Encender PMP en las 5:00 pm
• Apagar PMP cuando la presión de J-1 > 45
m
• VRP inactiva cuando la presión de J-6 < 80
m
• VRP regula 40 m a la hora 18:00
• ....Mas
Controles lógicos
IF Evaluación lógica de una condición
THEN Acción si condición es verdadera
ELSE Acción si condición es falsa
– Ejemplo
IF (Flujo en P-17 > 200)
THEN (PMP-1 = on)
ELSE (PMP-1 = off)

8
Condiciones
• Elemento (HGL en J-11 > 145)
• Tiempo desde el comienzo (T>= 7)
• Tiempo de reloj (clock time < 07:00
am)
• Demanda del sistema (Demanda >
500)
Acciones y condiciones
compuestas
Condición
[Flujo] > 200 y [Tiempo de reloj] >
15:00
Acción
[PMP1] = off y [P-11] = open

9
Prioridades de control
• Elegir prioridad de control
• 5 = prioridad alta, 1 = baja
• Defecto = baja
• Si hay conflicto
– Ejecuta la de más alta prioridad
– El primero en la lista si tiene la misma
prioridad
Calibrando un modelo SPE
• Comenzar calibrando el modelo
estático
• Evaluar
– Niveles de agua en el tanque
– Medidores de presión y caudal
– Operación real de las válvula
• Tener en cuenta usos de agua
• No olvidar en el esquema operativo

10
Calibración EPS
Observada
Modelo 1
Modelo 2
Dimensionamiento de tanques
• Regulación
– 10 – 20% del día máximo
• Incendio
– Día Max + Incendio – Producción
• Emergencia
Duración x Demanda
V = Regulación + max { Incendio,
emergencia}

11
Simulación de incendio
Incendio
Recuperación
Costos de energía
• Potencia usada, kwhr
• Potencia de agua, hp
• Potencia de electricidad,
hp
• Eficiencia. %
• Costo de energía, $
• Costo de demanda, $
• Costo de
almacenamiento, $
• Costo unitario, $/MG

12
Información requerida
• Buen modelo con SPE
• Costos de energía en el día
• Curvas de eficiencia
– Eficiencia constante
– Por sesiones
– BEP – punto de mejor eficiencia

1
FUNDAMENTOS DE MODELACION
DE
CALIDAD DE AGUA
Uso de representaciones de
procesos físicos, químicos y
biológicos para simular
movimiento y transformación
de constituyentes en el sistema
de distribución.
Calidad del Agua en Sistemas de
Distribución
• Calidad de agua depende de:
• Fuente del agua
• Operación del sistema
• Transporte y transformaciones
• Almacenamiento
•Variaciones significativas en calidad de agua
• Temporalmente
• Espacialmente

2
Dificultades para modelización de
calidad de agua
• Complejidad del movimiento de agua
• Calidad variable de fuentes de agua
• Pruebas de campo proveen sólo un pequeño ejemplo del
sistema
• Probar diferentes opciones para mejorar la calidad de
agua en el sistema
Beneficios
• Garantizar potabilidad
• Optimizar precursores químicos
• Reducción de vulnerabilidad
Aspectos relacionados con
modelación
de calidad de agua
• Tanques cerrados o abiertos
• Conexiones domiciliarias
• Decaimiento de desinfectantes
• Purgado
• Quejas de sabor y olor
• Flujos transitorios
• Alta turbidez
• Fuentes contaminadas

3
Procesos que afectan la
calidad de agua
Reservorios
Rupturas
Agua
Potable
Tratada
Conexiones
domiciliarias
Transformaciones en
la carga
Transformaciones en o cerca de la pared
Llave
Procesos de calidad de agua
• Hidráulica
• Mezcla en depósitos
• Transporte
• Reacciones en el flujo
• Hidrodinámica de tanques

4
Modelación Hidráulica y
de Calidad de Agua
MODELO HIDRAULICO CALIBRADO
MODELO DE CALIDAD DE AGUA
Flujos y velocidades
Resultados de calidad de Agua
Tipos de Modelación de Calidad de
Agua
• Rastreo de fuente
• Edad del agua
• Constituyente

5
Rastreo de Fuente
Edad del agua
• Calcular variación de edad del agua a
través del tiempo
• Influenciada por los tiempos de residencia
en estructuras de almacenamiento

6
Constituyentes
• Sustancias Conservativas
Su concentración cambia solo al mezclarse
• Sustancias No- Conservativas
Concentración crece o decae debido a ...
• Procesos químicos
• Procesos biológicos
• Procesos físicos
Constituyentes
• Salinidad (TDS)
• Nitrógenos
• Metales
• Orgánicos
• Cloro
• Cloraminas
• pH / alcalinidad
• Dureza
• Plomo y cobre
• Floro
• Sólidos / turbidez
• Actividad microbial

7
Formas de Transformaciones
Cinéticas
• Conservativo: dC/dt = 0
• Decaimiento de primer orden: dC/dt = kC
• Crecimiento de cero orden o decaimiento:
dC / dt = k
• Crecimiento de primer orden a equilibrio
• dC/dt = k (Cmax – C)
• dC/dt = kCn
Decaimiento de Primer Orden
• Los constituyentes decaen proporcionalmente con la
concentración
dC/dt = kC
• Decaimiento exponencial: Ct = Co e-kt
• Co concentración inicial
• t Tiempo
• k Coeficiente decaimiento
• Cloro usualmente tiene decaimiento de 1er orden
• Media vida: tiempo para un decaimiento de 50%
Co
Co /2
Media Vida

8
Decaimiento de Orden Cero o
decaimiento
• El constituyente crece o decae a una velocidad
constante o absoluta
dC/dt = k
Ct = Co + (rDt)
• Co concentración inicial
• Dt es el intervalo de tiempo
• r es la velocidad de crecimiento
• La edad es un ejemplo de crecimiento de cero orden
(r = 1)
Co
Concentración o
Edad
tiempo
Crecimiento de Primer Orden a
Equilibrio
• El constituyente crece proporcionalmente con la
concentración a un valor de equilibrio
dC/dt = k(Cmax – C)
• El constituyente exponencialmente se acerca a un valor
máximo
Ct = Cmax - (Cmax – Co e-kt)
• Co = concentración inicial
• Cmax = concentración máxima
• Los trihalometanos son un ejemplo
Co
Cmax

9
Definición del Problema
• Dado:
• Representación de la Red
• Flujos en todas las tuberías (del modelo hidráulico)
• Velocidad de reacciones
• Concentraciones en fuentes
• Concentraciones iniciales
• Determine
• Concentraciones en todos los nodos en todos los
períodos de tiempo
Conservación de Masa Nodal
Mezcla Completa
Masa Total que entra = Masa Total que Sale
NODO
Q1, C1
Q2, C2
Q3, Cout
Q4, Cout
Cout = [(Q1 C1) + (Q2 C2)] / (Q1 + Q2)
Q1 + Q2 = Q3 + Q4

10
Calidad de agua en tanques
• tanques almacenan volumen
• su calidad de agua cambia por:
• Calidad de flujo entrante
• Transformaciones en el tanque
• Mayoría de modelos asumen mezcla instantánea
Conexiones de tuberías
• Flujo y velocidad variables en el tiempo
• El agua envejece al moverse por las tuberías
• Transformaciones afectan la calidad de agua

11
Simulación de Calidad de Agua
Condiciones Hidráulicas InicialesDatos de Entrada
Calcule la hidráulica EPS
Ultimo intervalo de tiempo?
Condiciones iniciales de calidad de agua
Calcule las ecuaciones de calidad de agua
Ultimo intervalo de tiempo?
Resultados
SI
SI
NO
NO
Datos adicionales para un modelo
de calidad de agua
• Concentraciones iniciales
• Velocidades de reacción
• Modelo de mezcla de tanque
• Velocidad de inyecciones químicas
• Tolerancia de calidad de agua
• Difusividad

12
Modelación de Cloro
• Dosificación de cloro
• En la planta de tratamiento
• Re-cloración en el sistema de distribución
• Decaimiento de Cloro sobre el tiempo
• Reacciones de carga
• Reacciones de la pared de tubería
• Pérdidas en los tanques debido a tiempos de
residencias significantes
Meta de Cloro
• Mantener el residuo
• Prevenir el crecimiento de bacteria
Reacciones de Cloro en una tubería
Seno de fluido
PARED
Borde de Capa
Borde de Capa

13
Decaimiento de carga
• Decaimiento de carga: decaimiento en el agua que fluye
• Usualmente representado como una ecuación de decaimiento de
primer orden
Ct = Co e -kt
• Velocidad de decaimiento
• Depende de las características de calidad de agua
• Independiente del material de las tuberías
• Uso de un signo negativo cuando nos referimos a k
• Implicitito cuando hablamos de decaimiento
• Explicito cuando hablamos de velocidad de reacciones
• Rango de coeficientes de decaimiento: 0.05 a 15 por día
• El rango mas típico es 0.2 a 1.0 por día
Decaimiento de Pared
• Decaimiento de Pared: interacción del agua con la pared
• Debido a la corrosión, film biológico y otros procesos en la
pared
• Velocidad de perdida de cloro en la pared depende de:
 El coeficiente de decaimiento de la pared
 Velocidad de la vena de agua en contacto con la pared
• Generalmente no es un factor en tanques y reservorios
 La proporción de reacción de pared vs. Volumen es
generalmente muy pequeña

14
Factores que afectan la perdida de Cloro
en la Pared
• El coeficiente de decaimiento de la pared depende de las
características de las tuberías (material y edad de las
tuberías)
• La Velocidad del agua que esta en contacto con la pared:
 Aumenta en tuberías mas pequeñas
 Camino mas cercano de carga a la pared
 Mayor proporción de pared / volumen
 Aumenta con mayor velocidad (turbulenta)
Determinando los Coeficientes de Pared
• Difícil de determinar el coeficiente de decaimiento para la
pared
 No hay una técnica de medida directa
• Se estiman valores en el campo basado en medidas de cloro
debajo de condiciones controladas
• Experimento ideal
 tubería larga aislada sin conexiones
 el flujo puede ser controlado
 mida la perdida de cloro
 Valores de rango típico para k pared: 0 – 1 ftdía

15
Relación entre la velocidad de decaimiento
de pared y la rugosidad de la tubería?
• La relación parece lógica: tuberías con mas rugosidad
tienen:
 mayor área de superficie en la pared
 más oportunidad para el crecimiento de la capa biológica
• Kwall = a / (Hazen Willians Factor – C)
• Datos de campo limitados sugieren un rango de valores para
a de 0 a 100
Impactos de Almacenaje en la
calidad de Agua
• Tanques y reservorios diseñados para las
necesidades hidráulicas; la calidad del agua es
usualmente secundaria.
• Tiempos de larga residencias:
 Desprecian residuales de desinfectantes
 Promueven el crecimiento de bacterias
• Las mezclas pobres pueden amplificar los
problemas de calidad de agua

16
Mezcla Potencial / Problemas de Estratificación
Entradas en
tangente Palas Complejas
Entradas de
Diámetro
Grandes
Deflectores Tuberías Verticales
Diferencias en
Temperaturas
T tanque
T influjo
MODELOS DE MEZCLA EN TANQUES
Mezcla completa
First In First Out (FIFO)
Last In First Out (LIFO)
2 compartimientos

17
SEGURIDAD DE SISTEMAS DE
DISTRIBUCION DE AGUA
• Objetivos
 Mantener un abastecimiento sano y suficiente
 Desarrollar confianza en el cliente
 Prepararse para cosas que naturalmente pueden ocurrir,
accidentes, y actividades terroristas
• La conciencia ha aumentado después de 11/09/01
Puntos de vulnerabilidad

18
Cuales son las amenazas?
• Interrupción física
• Contaminación biológica o Química
• Pérdida de confianza del cliente
Interrupción Física
• Acciones que resultan en la pérdida
de flujo y presión
• Daños a equipos vitales
 Tubería principal
 Fuente de electricidad
 Tratamiento
 SCADA
 Estación de bombeo

19
Eventos de contaminación
• Contaminación accidental
 Desbordes y escurrimiento de agua superficial
 Contaminación de Pozos
 Conexiones de cruceros en sistemas de Distribución
 Contaminación de Reservorios
• Contaminación a propósito
 Actos terroristas (agua cruda, Planta, distribución)
 Descarga criminal a una fuente de agua cruda
Vista Esquemática del Río
PLANTA DE
TRATAMIENTO
DE AGUA
Descargador
Entrada
Puente
DESBORDES
DE AGUA
DESBORDES
DE TERRENO
Tanques
Químicos
Calle / Tubería
Estación de
Monitoreo

20
Sistema de Detección Primaria
Combinación de monitores, arreglos
institucionales, herramientas de análisis,
mecanismos de respuesta diseñados para
proveer en detección avanzada de
contaminantes en el agua potable.
Monitores
• Monitoreo Convencional
• Biomonitores
• Tecnología de Monitoreo Emergente

21
Monitores Convencionales
• pH, D.O., turbidez, conductividad, temperatura
• Electrodo de selección de Iones (iones)
• Cromatografía de gas (orgánicos)
• Cromatografía de líquidos (orgánicos)
• Espectroscopía de absorción atómica (metales)
• Espectroscopía de masa (metales)
• Flurometría (aceite)
• Casi todos los monitores pueden ser automatizados
Concepto del Biomotor
• Los organismos sienten y reaccionan con la
presencia de un contaminante
• Peces, mejillones, algas, bacterias
• Se monitorea la reacción de un organismo y la
alarma “suena”
• Conoce que hay un problema – pero no
exactamente cual es

22
Contaminación Terrorista
• Objetivos:
• Maximizar el daño a la población
• Interrumpir el servicio
• Disminuir la confianza del consumidor
• Implicaciones:
• Contaminantes altamente intoxicantes son probables
• Contaminación es más probable en el sistema de
distribución
• Detección por monitoreo y vigilancia
• Minimizar el tiempo de comunicación y otros retrasos
Sustancias de Contaminación
• Químicos tradicionales (p. Ej. Aceite, carbón)
• Sustancias químicas de guerra (p. Ej. Sarín)
• Toxinas (p. Ej. Botulinux toxina)
• Sustancias Bacteriológicas (p.e. Bacillus anthracis)
• Sustancias virales (p. Ej. Rotaviruses, ebola)
• Protozoos (p. Ej. Cryptosporidium parvum)
• Químicos Intoxicantes Industriales (Cyanide)
• Materiales Radioactivos

23
Puntos de Entrada para
Contaminantes
Contaminación del Sistema de
Distribución
• Residuo de Cloro
• Desinfectante – mata a varios contaminantes
• Decaimiento de Cloro: indicación de una intrusión
• Vías de Introducción de Contaminantes
• En un Pozo o en la Planta de Tratamiento
• En la Estación de Bombeo
• En el Tanque
• Directamente en las tuberías

24
Uso de la Red del Modelo para
Estudios
de Vulnerabilidad
• Hay suficiente residual de cloro?
• Que pasa si un tanque es contaminado?
• Que pasa si un pozo es contaminado?
• El sistema de distribución puede ser contaminado si
se inyecta por una conexión local?
Que puede hacer el Municipio?
• Establecer buenos contactos con la policía local
• Repasar redundancias en su sistema
• Identificar puntos críticos y vulnerables
• Modelar el movimiento de contaminantes en el sistema
• Aumentar la seguridad de reservorios y otras facilidades
• Monitorear el desinfectante mas a menudo y en mas
estaciones

1
TECNICAS DE ADMINISTRACION DE
DATOS
• Datos
• almacenamiento
• acceso
• manipulación
• Propósito
• Aumentar la productividad
• Integrar la modelación con otras funciones de
utilidades de agua
REPASO
Clave: Almacenar la información base de datos computarizadas
una vez, y utilizarlas muchas veces (para propósitos
múltiples)
Modelo
Mapas SIC
Otro Modelo
Papel SCADA
Archivos
digitales

2
DESARROLLO HISTORICO
• Tarjetas de entrada (1940 – 1975)
• Archivos de entrada (1965 – presente)
• Interfase Gráfica (1990 – presente)
• Base de Datos / Conexiones SIG (1995 -
presente)
• Integración completa de Sistema (2000 - ...)
TIPOS DE ARCHIVOS DIGITALES
• Texto ASCII
• Archivos de Procesadores de Palabras
• Hojas de Calculo
• Base de Datos
• Archivos CAD
• Archivos SIG
• Archivos SCADA
• Sistema de Información de Clientes
• Otros

3
HOJAS DE CALCULO vs. BASES DE DATOS
• Bases de Datos
• Estructura relacional & mejor organización de datos
• Mejor capacidad de búsqueda y reporte
• Hojas de Calculo
• Usuarios mas acostumbrados a hojas de cálculos
• Mejor capacidad de cálculo
• Ambos soportan
• Gráficos
• Facilidad de entrada
HERRAMIENTAS CAD
- Computer Aided Desing -
• Generación de dibujos digitales
• Representación vectorial
• Capacidad limitada de atributos
Productos:
• AutoCAD (www.autodesk.com)
• Bentley MicroStation (www.bentley.com)
• Intergraph (www.intergraph.com)

4
Archivos de Intercambio CAD
• .DXF
Formato de datos eXchange
• .DWG
Formato de archivos de dibujos de AutoCAD
Los archivos en formato DWG son normalmente mas
pequeños que los archivos en DXF
Sistema de
Información
Geográfica

5
Sistema de Información Geográfica
“Sistema computacional diseñado para permitir
que los usuarios colecten, administren y analizen
grandes volúmenes de datos geográficos
asociados con atributos”
“ Glossary of GIS Terminology”, NCGIA. 1992
Componentes de SIG
• Entrada de datos
• Interfase de usuario
• Administración de datos
• Manipulación y análisis espacial de datos
• Visualización y generación de productos

6
Productos de Software
• Productos de ESRI
• Enviromental Systems Research Institute
• Arc GIS
• Dominan el mercado
• Generalmente definen los estándares
• Otros productos GIS
• Intergraph
• Smallworld
• MapInfo
• Autodesk
Formatos de GIS
• Formato Vector o Raster
• Vector
• puntos
• líneas
• polígonos
• Raster
• raster, gradiente regular y TIN
• Data de censor remoto
• Modelos de elevación digital (DEM)

7
Modelo Topológico
• Describe la conectividad/posición de
objetos
• Facilita la modelación y análisis
• Ejemplos:
A B 17
332
Capacidad de un SIG
• Habilidad de asignar los atributos a objetos espaciales
• ejm polígono 33 es uso de tierra comercial
• Análisis de superposición (dibujo temático)
• Combine características diferentes
• ej uso de terreno y tierra
• Análisis de estado: Usuarios alrededor de una línea
+

8
Convergencia de GIS y CAD
• Capacidades de CAD / GIS están convergiendo
• Híbridos de CAD/GIS
• MicroStation
• ArcCAD
• GIS Connect de Haestad Methods ...
Supervisory
Control
And
Data
Adquisition
• Series de datos recolectados en el tiempo
• Información operacional
• Presiones, flujo, posición de válvulas, operaciones de
bomba, calidad de agua
• Usada en modelos para calibración e inicialización

9
Tipos de Datos de Modelo de Redes
• Datos Espaciales
• Datos de conectividad
• Componentes (tuberías, tanques, etc)
características
• Datos de demanda
• Datos de Control
• Datos Iniciales
• Datos de calidad
Manipulación de Datos / Archivos
• Importar
• Exportar
• Conexión a Base de Datos
• Trabaje en base de datos externas

10
Importación de Archivos
• Trayendo datos / archivos desde
fuentes externas
• Otros archivos de network de entrada
(Cybernet 2, EPANET, KYPIPE)
• Shapefiles
• Fondos DXF
• Elevaciones de puntos
Exportación de Datos/Archivos
• Obtener datos de WaterCAD para usarlos en
aplicaciones externas
• Métodos:
• Comandos para exportar (shapefiles, dxf, elevaciones)
• Cortar y pegar de las tablas de reporte
• Usos:
• A hojas de calculo para analizar los resultados
• A software de presentación para ilustrar los resultados
• A SIG & otro software para el dibujo / análisis

11
Conectando WaterCAD a una
Base de Datos
Base de Datos Externa
WCD File
WaterCAD
Sync In
(importar)
Sync Out
(exportar)
Formato de Archivos Externos
• Acces (Jet)
• Btrieve
• dBase
• Excel
• Oracle
• ESRI shape files
• FoxPro
• Lotus (1-2-3)
• Paradox
• ODBC

12
ODBC
Conectividad a Bases de Datos
Abiertas
• Estándar en la industria
• Interfase común en bases de datos
relacionales
• Soporta SQL (lenguaje de búsqueda
estructurado)
ODBCBase de
DatosODBC
Cliente ODBC
Tendencias en la Modelación
• Consideración de Datos Centralizados
• Estándares para Intercambio
• Integración GIS-Modelo
• Integración de Sistemas Completos

13
Centralización de datos vs.
Centralización de Modelo
• Diferente paradigma para la modelación
• Movimiento hacia la consideración de
centralización de datos
DATOS CENTRALIZADOS
DATA
BASE
MODEL GRAPHICS
MODEL
GIS
ANALYSIS
MODEL
Model input
Model input
Model input
MODELO CENTRALIZADOS
Interacción con GIS
• SIG como repositorio permanente en la
caracterización del sistema
• Selecciona parte del sistema o una representación
esqueletonizada para generar la entrada al modelo
• Los resultados del modelo son selectivamente
almacenados en GIS
• Análisis del escenario ejecutado en el modelo
Representación
Completa del
Sistema
GIS
MODELO
Entrada Modelo
Salida Modelo

14
Vista de GIS vs. Vista del Modelo
Los elementos de SIG no son iguales que los
elementos del modelo
Integración de Sistemas
• Datos intercambiados entre:
 Modelo de la Red
 SCADA
 Administración de Instalaciones
 Sistemas de Información a clientes (CIS)
• Usada en:
 Control en tiempo Real
 Planeación y Diseño

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