Guia Practica Modelación de Redes de Agua Potable

GUIA PRACTICA EPANET MODELACIÓN DE REDES DE AGUA POTABLE

INVAR S.A. MAYO 2012

GUIA PRÁCTICA PARA MODELACIÓN DE REDES DE AGUA POTABLE MEDIANTE SOFTWARE EPANET

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Contenido 1.

PRESENTANDO EPANET................................................................................................................. 4

2.

INFORMACIONES PRÁCTICAS ........................................................................................................ 4 2.1.

DESCARGA DEL PROGRAMA Y SU MANUAL .......................................................................... 4

2.2.

AYUDA EN MICROSOFT VISTA Y POSTERIORES ..................................................................... 5

2.3.

QUE PODRAS HACER EN EPANET .......................................................................................... 5

3.

LOS OBJETOS EN EPANET .............................................................................................................. 5

4.

RECOMENDACIONES PARA AHORRAR TIEMPO ............................................................................ 7

5.

6.

4.1.

DIBUJO DE REDES CON PRESICIÓN........................................................................................ 7

4.2.

NO SOBRECONSTRUIR EL MODELO ....................................................................................... 7

4.3.

ETIQUETAR TUBERIAS Y NODOS............................................................................................ 7

4.4.

GUARDAR EL MODELO BASE ................................................................................................. 7

4.5.

CONFIGURAR VALORES POR DEFECTO.................................................................................. 8

HERRAMIENTAS BÁSICAS .............................................................................................................. 9 5.1.

EDITAR POR REGIONES.......................................................................................................... 9

5.2.

HACER COINCIDIR ESCALA DE LEYENDAS CON CRITERIOS DE DISEÑO ................................. 9

ENSAMBLANDO EL MODELO ....................................................................................................... 11 6.1.

INTRODUCCION ................................................................................................................... 11

6.2.

DIBUJANDO LA RED ............................................................................................................. 11

6.3.

INTRODUCIENDO DATOS..................................................................................................... 11

6.3.1.

NUDOS ............................................................................................................................. 12

6.3.2.

TUBERÍAS ......................................................................................................................... 14

6.3.3.

EMBALSES ........................................................................................................................ 15

6.3.4.

DEPOSITOS ...................................................................................................................... 15

6.3.5.

VÁLVULAS ........................................................................................................................ 15

6.3.6.

BOMBAS .......................................................................................................................... 16

7.

EJECUTANDO EL MODELO ........................................................................................................... 17

8.

RESULTADOS ............................................................................................................................... 18

9.

8.1.

TABLAS................................................................................................................................. 18

8.2.

INFORME COMPLETO .......................................................................................................... 20

ANÁLISIS EN PERIODO DE TIEMPO EXTENDIDO .......................................................................... 21

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9.1.

PATRON DE CURVA DE DEMANDA ...................................................................................... 21

9.2.

CALIDAD DE AGUAS ............................................................................................................. 24

9.2.1.

CONCENTRACIÓN DE CLORO........................................................................................... 24

9.2.2.

TIEMPO DE PERMANENCIA DEL CLORO .......................................................................... 25

10.

EJERCICIOS............................................................................................................................... 26

10.1.

EJERCICIO N°1- ANÁLISIS EN RÉGIMEN PERMANENTE ................................................... 26

10.1.1.

MODELACIÓN SITUACIÓN ACTUAL ............................................................................. 27

10.1.2.

MODELACIÓN SITUACIÓN FUTURA SIN PROYECTO .................................................... 31

10.1.3.

MODELACIÓN SITUACIÓN FUTURA CON PROYECTO .................................................. 32

10.1.3.1.

ALTERNATIVA N°1 – INSTALACIÓN REFUERZOS ...................................................... 32

10.1.3.2.

ALTERNATIVA N°2 – SISTEMA BOOSTER (BOMBA) ................................................. 33

10.2.

EJERCICIO N°2 .................................................................................................................. 36

10.2.1.

CURVA PATRON DE DEMANDA ................................................................................... 36

10.2.2.

MODELACIÓN PERIODO EXTENDIDO .......................................................................... 38

10.2.3.

MODELACIÓN CALIDAD DE AGUAS ............................................................................. 42

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1. PRESENTANDO EPANET Epanet es un programa sencillo de cálculo de redes, con un estilo visual fácil de entender y un funcionamiento intuitivo. Este programa fue desarrollado por la Agencia Norteamericana de Medioambiente (EPA). A continuación se muestra una imagen del programa.

La gran sencillez de su uso ha contribuido a su gran popularidad, esto se suma al carácter de distribución gratuito que tiene.

2. INFORMACIONES PRÁCTICAS 2.1. DESCARGA DEL PROGRAMA Y SU MANUAL USEPA (INGLÉS): U. S. Environmental Protection Agency -

PROGRAMA: http://www.epa.gov/nrmrl/wswrd/dw/epanet/EN2setup.exe MANUAL: http://www.epa.gov/nrmrl/wswrd/dw/epanet/EN2manual.PDF

AGUAS DE VALENCIA (ESPAÑOL): -

PROGRAMA: http://www.instagua.upv.es/Epanet/descargas/Epanet2vE_2.00.12.exe MANUAL: http://www.instagua.upv.es/Epanet/descargas/ManualEPANETv2E.pdf

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2.2. AYUDA EN MICROSOFT VISTA Y POSTERIORES En los sistemas operativos Windows Vista y Windows 7 no serán visibles los archivos de ayuda, esto debido a que no se incluye el programa de ayuda winhlp32.exe en la distribución. Para visualizar los archivos sin cambiar de sistema operativo, puedes descargar e instalar el archivo desde la web de Microsoft desde el siguiente link: DESCARGA: http://support.microsoft.com/kb/917607/es

2.3. QUE PODRAS HACER EN EPANET Principalmente Epanet lo utilizarás para lo siguiente:  Determinar que tuberías y de que diámetro a instalar.  Determinar las mejoras y/o ampliaciones que necesita una red.  Determinar donde instalar los Estanques, válvulas de sectorización y reductoras, sistemas presurizados. Mayor detalle de las prestaciones están incluidas en el Manual del Programa.

3. LOS OBJETOS EN EPANET En Epanet tendremos 6 tipos fundamentales de objetos que intervienen en una red. Con estos objetos se dibuja y se hace funcionar la red. Estos Objetos son:

NUDO ó CONEXIÓN: El Nudo es un punto con una cota determinada por donde sale el agua de la red. Esta salida se hace asignándole una demanda o consumo. Al asignar una demanda negativa, se convierte en un punto de entrada. En los nudos es conocida la demanda y desconocida la presión.

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EMBALSE: El embalse actúa de sumidero o fuente de agua. Su volumen no varía por las entradas o salidas de agua, es decir, su tamaño es muy grande en comparación con el sistema. Se caracterizan mediante una altura total. Se recomienda para modelaciones de estanques considerar como Altura Total la cota de agua más desfavorable en el estanque.

DEPÓSITO: El depósito es un nudo con capacidad limitada de almacenar agua. Para la modelación de estanques se sugiere siempre utilizar Embalses.

TUBERÍA: La tubería es la que transporta el agua desde una parte a otra del sistema. Epanet siempre asume que están llenas. Además usando sus propiedades se pueden abrir o cerrar o limitar el flujo a una sola dirección sin necesidad de añadir válvulas. Las tuberías disipan energía que tiene el agua en virtud de su altura o presión por fricción del agua con las paredes de la tubería.

BOMBAS: Las bombas se recomienda usarlas en casos sumamente necesarios. Su uso más común es en la modelación de Sistemas Booster o Planta de Bombeo Paquetizada (PBP).

VÁLVULAS: Existen diversos tipos de válvulas que permite modelar Epanet, como: - Válvula Reductora: Disminuye la presión aguas abajo. - Válvula Sostenedora: Mantiene la presión Aguas Arriba. - Válvula Rotura de Carga: Fuerza una caída determinada de presión. - Válvula Limitadora de Caudal. - Válvula Reguladora (por estrangulación): simulan una válvula parcialmente cerrada. - Válvula Propósito General: El comportamiento lo programa el usuario.

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4. RECOMENDACIONES PARA AHORRAR TIEMPO 4.1. DIBUJO DE REDES CON PRESICIÓN Existen dos modos de realizar el trazado de redes, con el modo longitud automática encendido o apagado. Si nos encontramos trabajando con el modo apagado lo que en realidad estamos realizando es un croquis de la red al que se introducen las longitudes tubería por tubería. Para efectos de dibujo a Epanet le da igual lo meticuloso que hayas sido. A continuación se muestran dos redes, las cuales las calcula igual si tienen la misma longitud en cada tubería.

4.2. NO SOBRECONSTRUIR EL MODELO No se debe perder la visión general de que lo que se está realizando es un modelo, no la realidad. Se trata de realizar el modelo más simple posible que represente adecuadamente lo que va a pasar. Se puede en casos específicos representar con mayor detalle ciertos sectores en los cuales se tenga un interés especial.

4.3. ETIQUETAR TUBERIAS Y NODOS Epanet asigna un número de tubería y nodo consecutivo a medida que se agregan elementos. Insistir que estos elementos atiendan a una determinada lógica es muy mala idea. Durante el proceso de diseño borraremos y crearemos muchas tuberías y nodos, actualizar la identificación de cada elemento es una tarea que nos quitará tiempo.

4.4. GUARDAR EL MODELO BASE Una vez introducido todos los datos topográficos, tuberías, nudos, etc., guárdalo como archivo base y trabaja sobre una copia. Sobre todo en mejoramientos de redes existentes, ya que después de trabajar un modelo durante un tiempo sin resultados, ya no se sabrá que es lo original y que ha sido cambiado.

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4.5. CONFIGURAR VALORES POR DEFECTO Se recomienda configurar valores por defecto para las longitudes, diámetros, rugosidad tuberías, unidades de caudal, formula de pérdidas por fricción, entre otros. Para ello haz clic en pestaña Proyecto y en el menú que se despliega selecciona Valores por Defecto. En la pestaña Opciones Hidráulicas se sugiere colocar en Unidades de Caudal: LPS (Litros por Segundo), esta acción implica que las unidades de distintos parámetros serán como se muestra a continuación:     

Caudal: litros/segundo. Presión: metros columna de agua (m.c.a.). Diámetros: milímetros. Longitudes: metros. Cotas: metros.

La Ecuación de Pérdidas más utilizada en Chile corresponde a la Ecuación de HazenWilliams (H-W), por lo que se recomienda usar ésta en la configuración del sistema. En la pestaña propiedades se podrá configurar las propiedades por defecto de las tuberías que se crearán. En la pestaña Etiquetas ID se puede colocar prefijos a los distintos elementos de Epanet, los prefijos se pueden configurar en cualquier momento del proyecto.

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5. HERRAMIENTAS BÁSICAS 5.1. EDITAR POR REGIONES Si se requiere cambiar por ejemplo la rugosidad de las tuberías de 150 a 120, no es necesario ir tubería por tubería, se pueden editar regiones: 1. Sigue la ruta > Editar / Seleccionar Región. Observarás que el cursor cambia a una cruz. 2. Envuelve los objetos que quieras cambiar pinchando puntos sucesivos que serán lo vértices del área de selección. La manera de cerrar el polígono de selección es pulsar la tecla Enter y la de empezar de nuevo es la tecla Esc. 3. Una vez cerrado el polígono de selección, pincha la pestaña Editar y en el menú que se despliega selecciona Editar Grupo. 4. En la ventana emergente se muestran las opciones disponibles de edición de la región seleccionada. Las opciones son bastante intuitivas y fáciles de modificar.

5.2. HACER COINCIDIR ESCALA DE LEYENDAS CON CRITERIOS DE DISEÑO Si como criterio de diseño se ha establecido que la presión dinámica debe estar entre los 15 [m.c.a.] y los 60 [m.c.a.], es posible ajustar los límites de las coloraciones de las leyendas para visualizar de mejor forma los sectores o elementos en particulares que se escapan de los criterios requeridos. Una vez que el programa se ejecuta podremos visualizar distintas leyendas en la ventana principal del programa (Plano de la Red): 9|Página

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En la pestaña Plano de la ventana Visor se puede modificar la información que se desea visualizar en pantalla. Po ejemplo en la imagen que se muestra a continuación en los Nudos se está visualizando la Presión y en las Líneas se visualiza el Diámetro. Luego haciendo clic con el boton derecho del mouse sobre alguna leyenda se desplegará la ventana Editor de Leyenda en la cual se podrán modificar límites y opciones de colores en la visualización de la leyenda que se esta editando.

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6. ENSAMBLANDO EL MODELO 6.1. INTRODUCCION En este capítulo se construye el modelo. Se empieza dibujando y luego se van añadiendo datos.

6.2.DIBUJANDO LA RED Existen tres objetos básico con los cuales se dibuja el croquis del modelo, Los nodos o conexiones, las tuberías y los embalses. Existen objetos que se pueden dibujar independientemente como los embalses, Depósitos y nodos. El resto de los elementos requieren ser dibujados asociados a dos objetos independientes, por ejemplo una tubería debe ser dibujada desde un embalse a un nodo ó entre dos nodos, lo mismo requieren las válvulas y bombas.

Todos lo objetos se insertan en el modelo haciendo clic sobre el icono respectivo y luego haciendo clic en la pantalla en el lugar deseado. Existe la posibilidad de Cargar una imagen de fondo para trazar sobre ella el croquis del modelo. Para ello se debe hacer clic en la pestaña Ver y en el menu que se desplega seleccionar Fondo de Pantalla / Cargar y se selecciona el archivo de imagen deseado.

6.3. INTRODUCIENDO DATOS Una vez que tenemos dibujada la red, es hora de introducir los datos que requieren los distintos elementos. Al hacer doble clic sobre el objeto se abre una ventana de diálogo con sus propiedades. En la ventana se introducen algunos y se leen otras, es decir, solo

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podrás modificar algunas de ellas. Con un asterisco están los datos mínimos necesarios del objeto.

6.3.1.

NUDOS

A continuación se presenta la ventana de diálogo completa de un nudo, con todas sus propiedades. Los datos que se han encerrado en Verde se pueden modificar, pero toman valores automáticamente al dibujar el objeto, salvo para la descripción y la etiqueta, que sirven exactamente para lo que se refieren. Los datos que se han encerrado en Azul corresponden a los que es necesario ingresar la información. Los datos que se han encerrado en Rojo, son datos que vienen del cálculo, es decir, son datos que se leen. El ingreso de la cota no tiene mayor complejidad que extraer esta información de la topografía requerida. La Demanda Base de cada nodo es “Base” debido a que existe la posibilidad de aplicar un factor de multiplicación para variar la totalidad de las demandas de cada nodo. Así, si estamos alimentando la red de distribución desde un estanque de regulación (“Embalse” en modelo Epanet), la demanda total estará definida por el Caudal Máximo horario de la localidad. Para redes de agua potable existentes siempre que se realice una modelación se necesitará realizar una evaluación de la situación actual, situación futura sin ninguna intervención y situación futura con proyecto de mejoramiento. Debido a lo anterior es que los caudales máximo horarios variarán para los diferentes períodos. Si se ingresa como demanda en cada nodo el caudal total pero distribuído en función de la cantidad de casas que aportan a cada nodo, por ejemplo, se 12 | P á g i n a

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obtendrá finalmente en la sumatoria de las demandas base el Caudal Máximo Horario Total. Si se quiere realizar la modelación con un Caudal Máximo Horario diferente, se tendría que ingresar nodo por nodo nuevamente el caudal distribuido de acuerdo a la cantidad de casas. Cuando es relativamente grande la cantidad de nodos podriamos facilmente estar un dia completo ingresando nuevamente los caudales nodo por nodo. La solución para esto es ingresar como demanda base en cada nodo la cantidad de casas que aportan a éste, por lo que aplicando un factor de demanda como veremos a continuación se puede modificar el caudal total en un simple paso. En la ventana Valores por Defecto descrita anteriormente en la pestaña Opciones hidráulicas se puede modificar el valor del Factor de demanda. Por Ejemplo, si tenemos la siguiente información.

 Cantidad de Casas en Localidad = 150  Caudal Máximo Horario 2012 = 15 [l/s]  Caudal Máximo Horario 2033 = 30 [l/s]

Factor de Demanda para Sit. Actual = 15 [l/s/casa] = 0,1 [l/s/casa] 150 Factor de Demanda para Sit. Actual = 30 [l/s/casa] = 0,2 [l/s/casa] 150 Por lo tanto, se deben ingresar los factores de demanda respectivos en cada situación modelada.

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6.3.2.

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TUBERÍAS

La introducción de los datos de las tuberías es mucho más sencilla. Los tres primeros parámetros los coloca automáticamente Epanet. Aunque se pueden modificar. Los datos que son necesarios ingresar para cada tubería son la Longitud, Diámetro y Rugosidad. El Diámetro a ingresar será el diámetro interno de la tubería a instalar en milimetros. La Rugosidad corresponde al Coefficiente de Hazen-Williams de acuerdo al material de la tubería a instalar, usualmente para tuberías de PVC la rugosidad es de 150, Acero 120 y HDPE de 150. Las últimas 7 filas desde Caudal hasta Estado corresponden a resultados del proceso de modelación y solo se pueden leer. El Estado Inicial es posible de configurar como:  Abierto: La tubería permite circulación de flujo en ambos sentidos. Si aparece un caudal negativo lo unico que quiere decir es que la tubería se dibujó en sentido inverso al del flujo del agua, para solucionar esto hacer clic con boton derecho del mouse sobre el objeto y seleccionar en menu desplegable Invertir, luego hacer correr el programa nuevamente para actualizar datos.

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 Cerrado: La tubería no permite circulación de flujo (Q = 0 [l/s]).  V. Retención: La tubería permite circulación de flujo en un solo sentido, si el flujo del modelo da como resultado en sentido contrario al de cómo se dibujó la tubería entonces el caudal resultante será cero. 6.3.3. EMBALSES Para los embalses la unica información necesaria de ingresar es la Altura Total, ésta es la altura a la que está la superficie del agua. Para el modelo de estanques de regulación se recomienda considerar esta altura como la más desfavorable, es decir, que el estanque se encuentra con solo 1 metro de altura de agua. Por lo tanto, la Altura Total a ingresar será la cota de radier del estanque más 1 metro.

6.3.4. DEPOSITOS La modelación de depósitos presenta un problema en particular, asume que el llenado de los estanques se realiza por debajo de éste, por lo que la bomba no tendrá una altura fija de bombeo variando el caudal, lo que no permitirá realizar un análisis comparativo de caudales entrantes y salientes desde el estanque. 6.3.5. VÁLVULAS Las Válvulas de corta y las de retención se modelan como una propiedad de la tubería. No hay un objeto que las represente sino una propiedad dentro del objeto tubería. La manera de cerrar una tubería o poner una válvula de retención es modificando la propiedad “Estado Inicial” entre los valores Abierta, Cerrada o V. Retención, que solo permite el flujo en una dirección. El objeto válvula como tal no es recomendable de colocar, basado en su costo y disponibilidad en el mercado. 15 | P á g i n a

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En los sistemas rurales como urbanos no es comun encontrar una diversidad de válvulas, las más comunes son las de corta cierre elastomérico y en algunos casos la reductora de presión. Es necesario mencionar que para sistemas que presentan grandes diferencias en cota existen dos alternativas para controlar las presiones, la primera es colocar cámaras corta presión y la segunda es la instalación de válvulas reductoras de presión las cuales no inhabilitan dar factibilidades aguas abajo de ésta como sí lo hacen las cámaras. Para las válvulas Reductoras en el modelo solo es necesario el ingreso del valor de consigna el cual representa el valor de presión aguas abajo de la válvula. 6.3.6. BOMBAS Si bien no es comun que en las redes de distribución se instalen bombas, cuando existen zonas de pocas viviendas a las cuales no es posible proporcionar una presión adecuada es posible la instalación de una Planta de Bombas Paquetizada (PBP) ó también llamada sistema Booster, en el cual por medio de un variador de frecuencia se puede mantener la presión aguas abajo de la bomba de manera constante. Lo primero será crear la Curva Característica de la Bomba, para esto hacemos lo sigiente: - En la Ventana Visor y en la pestaña Datos, seleccionamos Curvas. -

Una vez seleccionada la opcion Curvas, clic en icono (Añadir). Emergerá la Ventana Editor de Curva, en la cual ID Curva será el nombre de la Curva definida. Se deberán ingresar el punto de funcionamiento (Caudal, Altura) de labomba y automáticamente en la línea Ecuación se mostrará la curva de ecuación de segundo grado de comportamiento.

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Luego en las propiedades de la bomba se debe ingresar en Curva Característica el ID Curva creado.

7. EJECUTANDO EL MODELO Una vez que hemos ingresado la totalidad de los datos de los objetos que se han añadido al modelo es hora de ejecutar el software. Para esto debemos hacer clic en el icono Iniciar Análisis en la barra de comandos.

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8. RESULTADOS Lo que primero observaremos una vez ejecutado el análisis es una ventana emergente “Estado de Inicio”, la cual mostrará si “La simulación se produjo con éxito” o si “Se generaron mensajes de Advertencia. Ver Informe de Estado para más detalles”.

8.1. TABLAS Se puede revisar el Informe de Nudos y de Líneas, para esto se debe hacer clic en el botón Tablas , en aparecerá una ventana emergente llamada “Selección de Tabla”:

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En ésta ventana, en la pestaña Tipo se debe escoger el tipo de tabla requerido, luego de seleccionar el Tipo en la pestaña Columnas se debe seleccionar que datos se desean mostrar, luego de lo cual obtendremos la tabla con los resultados deseados.

Para trabajar con estos resultados se recomienda exportarlos a Microsoft Excel, para esto se debe hacer clic en la esquina superior izquierda de la ventana Tabla de Red, específicamente donde dice “ID Nudo” ó “ID Línea”, luego en la pestaña Editar / Copiar a… / Portapapeles, luego se puede pegar en MS Excel.

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8.2. INFORME COMPLETO Se puede obtener un informe completo de los resultados de la modelación en la pestaña Informe / Completo, el cual guardará un Informe en formato RPT el cual puede ser abierto con cualquier procesador de textos (MS Word).

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9. ANÁLISIS EN PERIODO DE TIEMPO EXTENDIDO Cuando se desea realizar un análisis en período de tiempo extendido es posible determinar presiones en nudos en distintos períodos del día, como también parámetros de calidad del agua. Lo que primero realizaremos es prolongar la “Duración Total” de análisis, ya que por defecto el programa trae una duración de 0 Hrs (Análisis Instantáneo), para esto en Ventana Visor, pestaña Datos seleccionar en menú desplegable “Opciones”, luego “Tiempo” y clic en “Editar”

.

En Ventana Opciones de Tiempo cambiaremos La “Duración Total” a 24 Horas. Para realizar este tipo de análisis es necesario el ingreso de un patrón de curva de demanda, el cual describiremos a continuación. 9.1. PATRON DE CURVA DE DEMANDA Para el ingreso de esta curva es necesario tomar datos de terreno, los cuales corresponderán a los volumenes parciales medidos en un macromedidor a la salida del estanque de regulación. Para facilitar el entendimiento lo desarrollaremos con un ejemplo: Lo primero será realizar como dijimos anteriormente mediciones en terreno, se registrarán los consumos por franja horaria

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Sumando los consumos parciales se puede obtener el consumo total del dia, el cual dividiendo por 24 Horas se obtiene el Consumo Medio Horario (8.904 [Lts/Hr] Luego para obtener un factor multiplicador de cada hora se divide el consumo de cada franja horaria por el consumo medio horario. Luego se debe ingresar la Curva Patron en Epanet, para esto en Ventana Visor, pestaña Datos y en menu desplegable seleccionar Patrones se debe Añadir

un nuevo Patron.

INVAR S.A. Hora

0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 Total Consumo Medio Horario [Lts/Hr]

Consumo Factor [lts] Multiplicativo 1,800 0.20 700 0.08 200 0.02 300 0.03 500 0.06 1,200 0.13 3,000 0.34 8,000 0.90 15,000 1.68 12,000 1.35 6,000 0.67 5,000 0.56 16,000 1.80 23,000 2.58 32,000 3.59 25,000 2.81 11,000 1.24 7,000 0.79 8,000 0.90 9,000 1.01 10,000 1.12 9,000 1.01 7,000 0.79 3,000 0.34 213,700 8,904

Luego el identificador del Patron será para este caso “1”, en Período se deben ingresar los factores multiplicativos obtenidos anteriormente. Se desplegará una gráfica automática en la cual se muetra en gráfico de barras los valores ingresados. Luego Aceptamos y ya tenemos definido el Patron de curva de demanda. 22 | P á g i n a

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Para definir que la demanda de cada nodo se comporte según el patron de demanda creado deberemos editar todo el grupo y seleccionar reemplazar / Patron de Demanda con 1.

Con esto ya se puede hacer correr el programa para actualizar las configuraciones realizadas. Para visualizar los resultados de la modelación en período extendido en la Ventana Visor y en la pestaña Plano, al hacer clic en el botón “Forward” se podrá ver las variables como cambian a travez del día.

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9.2. CALIDAD DE AGUAS Con respecto a la calidad de aguas se pueden definir dos análisis como los más importantes. El primero es la concentración de cloro residual cuya objetivo de modelar es descubrir la necesidad de cloradores secundarios, detectar puntos de excesiva concentración que pudiera ocacionar el rechazo de los consumidores y orientar a los operadores hacia cuales son las concentraciones de funcionamiento. El Segundo es el tiempo de permanencia. Para realizar un análisis de calidad de aguas es necesario tener un Patron de demandas asignado a los nodos del modelo. 9.2.1. CONCENTRACIÓN DE CLORO El agua debe contener una cantidad residual de cloro de 0,2 – 0,6 ppm. El cloro se consume debido a dos causas principales. La primera causa es cuando se encuentra en contacto con la materia orgánica del agua. Para describir la velocidad en la que se descompone se usa el Coeficiente de Reacción en el Medio, que se calcula mediante la comparación de dos medidas suficientemente espaciadas en el tiempo.

La segunda causa es cuando está en contacto con la pared de la tubería. Este Coeficiente de Reacción en la Pared es muy dificil de determinar. Sin Embargo, si se utilizan tubería plásticas, como frecuentemente es el caso, es 0. Una vez que se determina el Coeficiente de Reacción en el Medio (ó Coef. Flujo en Epanet), se debe definir para la totalidad de las tuberías este valor. Para esto modificaremos las propiedades de la totalidad de las tuberías en Editar Grupo. El Coeficiente de Reacción en la Pared lo dejaremos como cero asumiendo que se están utilizando tuberías plásticas. Luego será necesario configurar las opciones de calidad, para esto en la ventana Visor/ pestaña Datos /Opciones / Calidad y clic en boton Editar , emergerá la ventana Opciones de Calidad en la cual se debe seleccionar en Parámetro “Químico”.

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Ahora es tiempo de añadir la fuente de cloro. Pincha sobre el Embalse e introduce las ppm de cloro en la Propiedad de “Calidad Inicial”. Estamos en condiciones de hacer correr el programa para actualizar las configuraciones. Para visualizar los resultados de la modelación en período extendido en la Ventana Visor y en la pestaña Plano, al hacer clic en el botón “Forward” se podrá ver las variables como cambian a travez del día. 9.2.2. TIEMPO DE PERMANENCIA DEL CLORO Es importante observar en la red el tiempo de contacto del cloro con el fluido, ya que si es inferior a 0,5 Hrs se podría considerar como un tiempo bajo y si es superior a 24 horas se podrian detectar zonas de estancamiento. Para ver los resultados de los tiempos de permanencia del cloro deberemos cambiar en la ventana Opciones de Calidad el Parámetro a “Tiempo de Permanencia”, luego en Ventana Visor y pestaña Plano debemos seleccionar en Nudos la opción Tiempo de Permanencia.

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10. EJERCICIOS A continuación se desarrollan 2 ejercicios enfocados a diferentes situaciones que se pueden presentar en sistemas de Agua Potable en Zonas Urbanas como Rurales. 10.1. EJERCICIO N°1- ANÁLISIS EN RÉGIMEN PERMANENTE El presente ejercicio trata los aspectos básicos de redes de distribución, incluye objetos como nudos, tuberías y embalses. El objetivo de este ejercicio es mostrar las capacidades básicas del software realizando un análisis estático, dibujo de la red, mostrar resultados, análisis de resultados y posibles errores en la ejecución del modelo. ANTECEDENTES: Para cierta localidad se encuentra en ejecución el Diseño de un Proyecto de Mejoramiento de las Redes de Agua Potable, para lo cual se realizó una encuesta de la cual se pudieron obtener la proyección de población y caudales para un período de previsión de 20 años:  Viviendas (2012) = 190.  Caudal Máximo Horario (2012) = 10 [l/s]  Caudal Máximo Horario (2032) = 15 [l/s] Se tiene la siguiente configuración como esquema: (Ver Ejercicio N°1-a.net en CD Curso)

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En la figura anterior se puede observar el trazado de una red de distribución con un embalse, nudos y tuberías, los objetos cada uno tiene su ID que se muestra en el esquema. Se solicita realizar la modelación de las redes para la situación actual, futura sin proyecto y futura con proyecto, dentro de las alternativas de solución considerar como primera alternativa refuerzos en la red y como segunda alternativa la instalación de un Sistema Booster. Se deberán ingresar los siguientes datos como propiedades de nudos, tuberías y embalse: ID Nudo Conexión 2 Conexión 3 Conexión 4 Conexión 5 Conexión 6 Conexión 7 Conexión 8 Conexión 9 Conexión 10 Conexión 11 Conexión 12 Conexión 13 Conexión 14 Conexión 15 Conexión 16 Conexión 17 Embalse 1

Cota [m] 70 72 76 78 65 72 76 74 78 79 76 66 62 60 55 70 91

Demanda Base [LPS] 5 10 4 15 6 17 5 5 12 10 12 25 19 20 25 0

ID Tubería Tubería 1 Tubería 2 Tubería 3 Tubería 4 Tubería 5 Tubería 6 Tubería 7 Tubería 8 Tubería 9 Tubería 10 Tubería 11 Tubería 12 Tubería 13 Tubería 14 Tubería 15 Tubería 16

Longitud [m] 10 120 1000 130 90 140 250 90 195 120 205 450 75 200 370 20

Diámetro Rugosidad [mm] 102.26 150 188.2 150 70.6 150 150.6 150 70.6 150 150.6 150 150.6 150 70.6 150 103.6 150 70.6 150 70.6 150 150.6 150 150.6 150 70.6 150 70.6 150 102.26 150

10.1.1. MODELACIÓN SITUACIÓN ACTUAL

Para modelar la situación actual de la localidad, ya que ingresamos el numero de viviendas por nudo, será necesario ingresar el factor de demanda para configurar el modelo con el caudal máximo horario actual (año 2012). El factor de demanda se calcula de la siguiente forma:

Ingresando el Factor en Pestaña Proyecto / Valores por Defecto / Opciones Hidráulicas, ya estamos en condiciones de hacer correr el programa

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Para revisar los resultados observaremos la pantalla del programa y mostrando en los nudos las presiones y en tuberías los caudales.

Se puede observar que en los nudos n°8, 10, 11 y 12 presentan presiones con valores bajo 15 [m.c.a.] pero sobre los 8 [m.c.a.], por lo que se podría suponer que la capacidad de las tuberías para ese sector estarían limitadas en cuanto a factibilidades de suministro para loteos o cantidades considerables de viviendas. Podemos observar los resultados mediante tablas, para esto hacemos clic en pestaña Informe / Tablas…, en la ventana emergente Selección de la Tabla, seleccionamos en la pestaña Tipo / Nudos de la Red y en la pestaña Columnas / seleccionamos los items que se muestran en la figura adjunta.

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Seleccionamos Clasificado por Presión y obtenemos la siguiente Tabla:

Realizamos lo mismo para la Tabla de Lineas de la Red:

Obteniendo la Tabla de Lineas, que contiene tanto las propiedades de las tuberías como los resultados obtenidos de la modelación.

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De los resultados de Nudos se puede inferir que la presión dinámica mínima ocurre en el nudo 11 con un valor de 11,32 [m.c.a.] y la presión dinámica máxima ocurre en el nudo 16 con un valor de 34,68 [m.c.a.]. La presión estática máxima se producirá entre el nivel de aguas máximas del estanque y el nudo con menor cota, para este caso la cota de radier del estanque se definio en 90 [m], el nivel de aguas máximas será de 93,5 [m] y la cota del nudo más bajo es de 55[m], por lo que la presión máxima estática sera de 93,5 – 55 = 38,5 [m]

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10.1.2. MODELACIÓN SITUACIÓN FUTURA SIN PROYECTO

(Ver Ejercicio N°1-b.net en CD Curso) A continuación se modelará la situación futura (año 2032) sin realizar ningun mejoramiento en la red y suponiendo que la población creció de manera proporcional a las viviendas existentes, pero considerando un loteo de 40 viviendas en nudo N°10 del modelo. Lo anterior nos permite definir las mejoras necesarias para las demandas futuras de la localidad. Será necesario ingresar el Factor de Demanda para el caudal máximo horario del año 2032, tenemos:

Ingresando el Factor en Pestaña Proyecto / Valores por Defecto / Opciones Hidráulicas, ya estamos en condiciones de hacer correr el programa

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Revisamos los resultados observando la pantalla del programa y mostrando en los nudos las presiones y en tuberías las Pérdidas Unitarias. Obtenemos:

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De los resultados podemos inferir que las presiones para el año 2032 son insuficientes para las viviendas conectadas al nudo n°11 y las viviendas conectadas a los nudos n°4, 5, 8, 9, 10 y 12 tendrán una presión entre los 8 y 15 [m.c.a.] la cual no se recomienda suministrar,pero son aceptadas por la normativa de Agua Potable Rural. Se puede observar que las pérdidas en las tuberías aumentaron siendo las tuberías n°1 y 16 las que presentan mayores pérdidas en [m/Km.] pero al ser de corta longitud no son considerables en el modelo. La tubería n°9, 10 y 11 presentan pérdidas superiores a 9 [m.c.a.] por lo que del análisis se deberá realizar algun mejoramiento en ellas. Lás presiones dinámicas mínimas se presentan en nudo n°11 con un valor de 5,47 [m.c.a.], la presión dinámica máxima en nudo n°16 con un valor de 32,83 [m.c.a.] y la estática se mantiene igual que la situación actual con un valor de 38,5 [m.c.a]. 10.1.3. MODELACIÓN SITUACIÓN FUTURA CON PROYECTO 10.1.3.1. ALTERNATIVA N°1 – INSTALACIÓN REFUERZOS

(Ver Ejercicio N°1-c.net en CD Curso) A continuación se modelará la situación futura (año 2032) realizando mejoramientos en la red de distribución. El Factor de Demanda es el mismo que se utilizó en la Situación Futura sin proyecto.

Se proponen los siguientes mejoramientos: ID Línea Tubería M-1 Tubería M-2 Tubería M-3 Tubería M-4 Tubería M-5

Longitud [m] 130 140 250 195 120

Diámetro [mm] 103.6 103.6 103.6 150.6 150.6

Rugosidad 150 150 150 150 150

Con estos cambios el modelo queda de la siguiente forma:

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De los mejoramientos realizados; paralelismo en 520 [m] de tubería PVC c/6 D=110 [mm] y paralelismo en 315 [m] de tubería PVC c/6 D=160 [mm]. Con los cambios realizados se pudo mejorar la presión mínima dinámica desde 5,47 [m.c.a.] a 9,64 [m.c.a.] mejorando en 4,17 [m.c.a.] la presión en el nudo n°11. 10.1.3.2. ALTERNATIVA N°2 – SISTEMA BOOSTER (BOMBA)

(Ver Ejercicio N°1-d.net en CD Curso) A continuación se modelará la situación futura (año 2032) instalando un sistema booster en la red de distribución. El Factor de Demanda es el mismo que se utilizó en la Situación Futura sin proyecto.

El sistema booster se considera conectado directamente a la red de distribución, si se analiza la situación futura sin proyecto se puede observar que para el sector que se encuentra después del nudo n°8 las presiones no satisfacen los requerimientos es por esto que se definirá el sistema booster conectado a continuación de este nudo.

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Se debe crear la Curva Característica de la bomba. Para esto en Ventana Visor / pestana Datos y seleccionar en menu desplegable la opción Curvas, luego Añadir e ingresar información de curva bomba.

Luego en propiedades de el Objeto Bomba, definir como 1 la Curva característica del Objeto. Estamos en condiciones de Correr el Programa

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Los Resultados los podemos revisar en la pantalla del programa.

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Las presiones aguas abajo del sistema booster están determinadas por la bomba que se especifique, se puede instalar un variador de frecuencias con el cual fijar la presión como una constante.

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10.2. EJERCICIO N°2 El presente ejercicio estará enfocado en modelar redes de distribución en período extendido. Tomaremos como base para trabajo la situación actual del Ejercicio N°1a. 10.2.1. CURVA PATRON DE DEMANDA

ANTECEDENTES Se cuenta con lecturas de un macromedidor a la salida de un estanque que abastece a una localidad, según la siguiente tabla: Hora

PREGUNTA: Determinar los factores para la curva patron de demanda del programa Epanet. SOLUCIÓN: (Ver Ejercicio N°2-a.net) (Ver Ejercicio N°2.net en CD Curso) Sumando los consumos parciales se puede obtener el consumo total del dia, el cual dividiendo por 24 Horas se obtiene el Consumo Medio Horario (8.904 [Lts/Hr] Luego para obtener un factor multiplicador de cada hora se divide el consumo de cada franja horaria por el consumo medio horario. Luego se debe ingresar la Curva Patron en Epanet, para esto en Ventana Visor, pestaña Datos y en menu desplegable seleccionar Patrones se debe Añadir

un nuevo Patron.

0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 Total Consumo Medio Horario [Lts/Hr]

Consumo Factor [lts] Multiplicativo 1,800 0.20 700 0.08 200 0.02 300 0.03 500 0.06 1,200 0.13 3,000 0.34 8,000 0.90 15,000 1.68 12,000 1.35 6,000 0.67 5,000 0.56 16,000 1.80 23,000 2.58 32,000 3.59 25,000 2.81 11,000 1.24 7,000 0.79 8,000 0.90 9,000 1.01 10,000 1.12 9,000 1.01 7,000 0.79 3,000 0.34 213,700 8,904

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Luego el identificador del Patron será para este caso “1”, en Período se deben ingresar los factores multiplicativos obtenidos anteriormente. Se desplegará una gráfica automática en la cual se muetra en gráfico de barras los valores ingresados. Luego Aceptamos y ya tenemos definido el Patron de curva de demanda.

INVAR S.A. Hora 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 Total Consumo Medio Horario [Lts/Hr]

Consumo Factor [lts] Multiplicativo 1,800 0.20 700 0.08 200 0.02 300 0.03 500 0.06 1,200 0.13 3,000 0.34 8,000 0.90 15,000 1.68 12,000 1.35 6,000 0.67 5,000 0.56 16,000 1.80 23,000 2.58 32,000 3.59 25,000 2.81 11,000 1.24 7,000 0.79 8,000 0.90 9,000 1.01 10,000 1.12 9,000 1.01 7,000 0.79 3,000 0.34 213,700 8,904

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10.2.2. MODELACIÓN PERIODO EXTENDIDO

PREGUNTA: Configurar la modelación del Ejercicio N°1-a insertando la curva patron de demandas realizadas y obteniendo las presiones máximas y mínimas dinámicas de la red. SOLUCIÓN: (Ver Ejercicio N°2-a.net) Debido a que la curva patron de demandas representa a un dia en particular, lo que corresponde modelar es el día más desfavorable del año, por lo que se debe ajustar la curva con el Caudal Máximo Diario. De los análisis estadisticos de la encuesta realizada en la misma localidad del Ejercicio N°1 se obtuvo el Caudal Máximo Diario para el año 2012 el cual es de 6,67 [l/s]. Las viviendas actuales son 190. Con los datos anteriores podremos calcular el Factor de Demanda:  Viviendas (2012) = 190.  Caudal Máximo Diario (2012) = 6,67 [l/s]

Una vez que ingresamos el Factor de Demanda en pestaña Proyecto / Valores por Defecto / Opciones Hidráulicas, se deberá cambiar el periodo de Duración Total del análisis a 24 Horas, para esto en Ventana Visor / pestaña Datos / Seleccionar en menu desplegable Opciones / Tiempo / Editar .

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El último paso será asignar a todos los nudos la curva patron de demandas creada, para esto utilizaremos la opción Editar Grupo. Como se revisó en casos anteriores, lo primero será Seleccionar Todo (Pestaña Editar / Seleccionar Todo), luego editaremos todo lo seleccionado (Pestaña Editar / Editar Grupo):

Ahora estamos en condiciones de hacer correr el programa para actualizar las configuraciones realizadas. En la pantalla del programa veremos los resultados de la modelación a las 12:00 AM.

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Podremos ver el nudo con menor presión dináminca (que corresponde al nudo n°11), por lo que analizaremos el nudo 11 a lo largo del dia. Para esto veremos el Informe en Tablas , donde seleccionaremos la opción Evolución Temporal del Nudo y escribiremos nudo 11, en la pestaña columnas seleccionaremos solo el valor de presión.

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Obtendremos los siguientes resultados:

Se puede observar que la Presión dinámica mínima que ocurre en el nudo n°11 es de 8,58 [m.c.a.] a las 14:00 Hrs. Para obtener la presión dinámica máxima se realiza el mismo procedimiento pero analizando el nudo n°16, se podrá concluir que el valor máximo de 36 [m.c.a.] se produce entre las 2:00 y 4:00 AM.

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10.2.3. MODELACIÓN CALIDAD DE AGUAS

ANTECEDENTES: Se ha tomado una muestra de agua del sondaje que alimenta el estanque del ejercicio. Se ha colocado en un recipiente de cristal y se le ha añadido cloro hasta una concentración de 2 ppm. 36 horas más tarde la concentración era de 0,6 ppm. PREGUNTA: ¿Cuál es el Coeficiente de reacción en el medio (Coef. Flujo en Epanet)de la muestra tomada? Si agua con 1 ppm de cloro se deposita a las 12:00 AM en el estanque y ésta viaja hasta el nudo n°11 ¿A que hora se obtendrá una concentración de a los menos 0,5 ppm en el nudo n°11? ¿Qué concentración tendrá el nudo n°11 a las

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19:00 Hrs? Verifica que el tiempo de permanencia de una porcion de agua en la red no supere las 24 horas. SOLUCIÓN: (Ver Ejercicio N°2-b.net) Para calcular el Coeficiente de reacción en el medio aplicaremos la fórmula descrita en capitulos anteriores:

Para determinar las distintas concentraciones de cloro residual en la red a lo largo del día deberemos configurar las opciones de calidad, para esto en la ventana Visor/ pestaña Datos /Opciones / Calidad y clic en boton Editar , emergerá la ventana Opciones de Calidad en la cual se debe seleccionar en Parámetro “Químico”. Debemos ingresar el Coeficiente de Reacción (Coef. Flujo en Epanet) a la totalidad de las tuberias, esto lo realizaremos con la función Editar Grupo, en el cual ingresaremos Coef. Flujo = -0,2378. Luego en Ventana Visor /pestaña Plano / Nudos, seleccionaremos la opcón Químico. Haremos correr el programa y podremos mediante Informes / Tablas… / Evolución Temporal del Nudo 11 ver los resultados de la modelación.

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Podemos ver que solo a las 9:00 Hrs llegó el cloro al nudo n°11, en una concentración de 0,98 ppm. Los resultados se pueden visualizar graficamente en Informe / Gráficos… y seleccionando los parámetros que se muestran en la figura adjunta, se obtendrá la gráfica esperada.

Para añadir Nudos en Gráfico se debe hacer clic en nudo en pantalla y luego pulsar boton Añadir en Ventana Selección del Gráfico. Se obtendrá la siguiente gráfica:

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Para conocer el valor de la concentración a las 19:00 Hrs podemos ver Informe de Tablas / Nudos de la Red / 19:00 Hrs, obtendremos:

La concentración de cloro a las 19:00 Hrs es de 0,97 [ppm] ó [mg/Lt]. Para verificar el tiempo de permanencia en la red se deben cambiar algunas configuraciones. Debemos ir a Configurar el parámetro de calidad que queremos analizar, para ello en Ventana Visor / pestana Datos y en menu desplegable seleccionar Opciones / Calidad, en la ventana emergente deberemos seleccionar en Parámetro / Tiempo de Permanencia.

Para analizar de mejor forma los tiempos de permanencia debemos aumentar la Duración Total del análisis a 72 Horas, para esto en Ventana Visor / pestaña Datos / Seleccionar en menu desplegable Opciones / Tiempo / Editar. Luego en Ventana visor seleccionamos mostrar en Nudos el Tiempo de Permanencia y hacemos correr el programa

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De los resultados mostrados en la pantalla del programa podemos verificar que el nudo que a cualquier hora posee mayor Tiempo de Permanencia es el nudo n°4, por lo que realizaremos un análisis con Gráficos. Para esto iremos a Informe / Gráficos… / Curvas de Evolución / Tiempo de Permanencia y añadimos el nudo n°4 al análisis. La Gráfica quedará de la siguiente forma.

Podemos concluir que al analizar con 72 horas se pueden representar efectos acumulativos de un dia para otro que pasarian desapercibidos en el análisis de 24 horas. El tiempo máximo de permanencia en la red se produce en el nudo n°4 a las con 16,39 Horas. Se puede observar que el proceso es cíclico y se estabilizan los ciclos con el paso del tiempo.

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