m - BVSDE

Análisis y Simulación de Redes de Distribución
de Agua para casos de Emergencias
Aplicación de Programa de Cómputo
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
f20016018@uni.edu.pe
ysanchez@sedapal.com
Herramientas de Cómputo para la Prevención, Detección y
Respuesta en situaciones de emergencia
• Sistemas de Información Geográfica
Programas
de Cómputo
• Programas para la simulación y análisis de
Redes de Agua Potable y Alcantarillado
¿Qué es un GIS – SIG?
Es un sistema de computación que utiliza
información locacional en coordenadas de
longitud y latitud, para mapear información para
mejor análisis.
Un SIG es importante para diversos Estudios.
En el caso de la prevención en Sistemas de Distribución de Agua, durante la planificación se
puede mapear tanto la planimetría de la localidad, mapa de la red de distribución de agua,
mapa de riesgos a desastres naturales u otros.
Con todo ello se puede identificar que componentes del sistema son
vulnerables.
Manzanas y lotes
Red de vías
Cómo funciona un SIG
Red de agua y desagüe
Mapas de riesgo
Vista – Mapa interactivo
Mapas de riesgos
Se generan mapas de zonificación del peligro e
identifican los componentes más expuestos a
diferentes amenazas.
Tablas
Arc View - GIS
ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE REDES DE DISTRIBUCION DE AGUA
El análisis y simulación de redes se realiza para investigar la relación compleja que existe entre
las características de la red, la demanda de los consumidores (Doméstico, comercial, Industrial
y público), los caudales y cargas en un momento determinado.
Básicamente se calcula caudales, presiones y valores asociados en un momento determinado,
mediante un cálculo hidráulico (al modelo matemático).
Aplicaciones del análisis y simulación de redes:
•Conocer el comportamiento de los sistemas de distribución de agua.
•Estimación de niveles de servicio.
•Diseño de nuevos sistemas.
•Evaluación dela capacidad de conducción de la red existente.
•Uso eficiente y/o reforzamiento de las redes existentes.
•El planeamiento contingente. Solución de las redes para diferentes escenarios y alternativas.
ANÁ
AN
ÁLISIS DE FLUJO PERMANENTE - AN
ANÁ
Á LISIS ESTATICO
En este tipo de análisis de flujo permanente se conoce los diámetros de todos los tramos de la red,
los niveles en los tanques y las demandas en los nudos, y se busca la distribución de caudales y
presiones en la red, en condiciones de demanda y niveles constantes.
AN ÁLISIS DE FLUJO NO PERMANENTE - AN
ANÁ
Á LISIS DINAMICO
- SIMULACIÓ
SIMULACIÓ N DE
PERIODOS EXTENDIDOS - SIMULACI
SIMULACIÓ
Ó N CONTINUA - SIMULACIÓ
SIMULACIÓN EN EL TIEMPO.
En una red de agua potable la demanda var ía durante el día, y con ello los niveles en los tanques y
la operación de la bomba y se busca la distribución de caudales y presiones en la red para
diferente instantes del día (Ejemplo cada hora). Se puede decir que un análisis de flujo no
permanente es una secuencia de estados de flujo permanente con diferentes demandas en cada
estado.
CAUDALES DE DISEÑO DE UNA RED DE DISTRIBUCION DE AGUA
ØConsumo Máximo
Caudal máximo horario = Qmh
ØConsumo Contra Incendio
Caudal máximo diario + Caudal contra incendio = Q md + Qincendio
ØConsumo Mínimo
Caudal mínimo = Qmín
CURVA DE VARIACIONES HORARIAS DE CONSUMO DOMESTICO
75
Caudal Máximo ( Qmáx) = 67 lps
70
65
Coeficiente de
Variación Horaria
Caudal Horario
1:00
K1
Q 1 = K1 * Qp
2:00
K2
Q 2 = K2 * Qp
3:00
K3
Q 3 = K3 * Qp
4:00
K4
Q 4 = K4 * Qp
5:00
K5
Q 5 = K5 * Qp
6:00
K6
Q 6 = K6 * Qp
7:00
K7
Q 7 = K7 * Qp
55
8:00
K8
Q 8 = K8 * Qp
50
9:00
K9
Q 9 = K9 * Qp
45
10:00
K 10
Q 10 = K10 * Qp
11:00
K 11
Q 11 = K11 * Qp
12:00
K 12
Q 12 = K12 * Qp
13:00
K 13
Q 13 = K13 * Qp
30
14:00
K 14
Q 14 = K14 * Qp
25
15:00
K 15
Q 15 = K15 * Qp
16:00
K 16
Q 16 = K16 * Qp
17:00
K 17
Q 17 = K17 * Qp
18:00
K 18
Q 18 = K18 * Qp
19:00
K 19
Q 19 = K19 * Qp
20:00
K 20
Q 20 = K20 * Qp
21:00
K 21
Q 21 = K21 * Qp
22:00
K 22
Q 22 = K22 * Qp
23:00
K 23
Q 23 = K23 * Qp
0:00
K 24
Q 24 = K24 * Qp
40
35
Caudal Promedio ( Qp ) = 39 lps
20
15
HORA
0:00
23:00
22:00
21:00
20:00
19:00
18:00
17:00
16:00
15:00
12:00
11:00
10:00
9:00
8:00
7:00
6:00
5:00
4:00
3:00
2:00
0
1:00
5
14:00
10
13:00
Caudal hora i
Coeficiente de variación horaria (Ki) = ---------------------Caudal Promedio
0:00
GASTO (lps)
60
Hora
DIAGRAMA DE FLUJO DEL CALCULO DE UNA RED DE
DISTRIBUCÍÓN DE AGUA
Viene
Modelamiento del
Sistema
Predimensionamiento de la Red
Cálculo de los diámetros de los tramos
Cálculo Hidráulico
Métodos de Verificación
Permiten hallar el flujo real por cada tramo
Programas de Cómputo
Cálculo de:
Velocidad (V) en los tramos.
Presión (P) en los Nudos
No
¿Presión?
¿Velocidad?
Sí
Va
PROGRAMAS DE COMPUTO UTILIZADOS EN EL ANALISIS Y DISEÑ
DISEÑ O DE REDES DE
DISTRIBUCION DE AGUA
Existen gran cantidad de programas de cómputo para el cálculo hidráulico de redes de distribución
de agua desarrollados en diversos países.
La mayoría de los programas que trabajan en entorno Windows, tienen las siguientes
características:
•Digitalización de los planos de agua potable, incluyendo la planimetría de calles y el trazo de tuberías.
•Análisis Estático de la red digitalizada.
•Análisis Dinámico de la red digitalizada.
•Consideración de tanques, bombeo, válvulas reductoras de presión, válvulas sostenedoras de presión,
válvulas de control de flujo y otros.
•Edición manual de los cruceros.
•Isolíneas de terreno, presión, elevación piezométrica y otros.
•Manejo de un número ilimitado de tramos y nudos.
•Actualización de la información digitalizada, y edición de los datos sobre el dibujo en AutoCAD, o en
su propio entorno gráfico o en tablas.
•Planeamiento contingente (¿Qué sucedería si?)
KYPIPE - PIPE2000
Origen
Universidad de Kentucky
Estados Unidos
Aplicación
Análisis Hidráulico - Análisis de Flujo permanente
Análisis Hidráulico - Análisis de Flujo no permanente
Calidad de Agua
Método de solución
Teoría Lineal
Entorno
MS-DOS
Windows
Componentes Hidráulicos
Embalses - Tanques
Válvulas reductoras y sostenedoras de presión
Bombeo de velocidad fija o variable y otros.
Presentación de Resultados
Por pantalla
Tablas
Gráficas
Archivos de texto
Desventaja
No diseña
Lenguaje de Programación
Lenguaje C
Home page en Internet
http://www.engr.uky.edu/CE/KYPIPE
Total Modeling Package (KY.TMP) Pricing - DOS Version
Pipes
Standard Version*
Professional Version**
50
$195
$395
250
$495
$995
1000
$995
add $250 for each additional
1000 pipes
$1995
add $500 for each additional
1000 pipes
2000-6000
Ventana de presentación del
programa KYPIPE – PIPE2000
Planimetría y trazado de redes en el
MODULO KYCAD
Tablas para ingreso de datos y
visualización de resultados.
Perfil de la línea de impulsión
generado en el MODULO KYGEMS
Cálculo del flujo contra incendios.
Ventanas de ingreso de datos
Curvas de la bomba.
IMÁGENES DE ALGUNAS
CARACTERÍSTICAS DE KYPIPE 2000
EPANET
Origen
Enviromental Protection Agency EPA
Estados Unidos
Aplicación
Análisis Hidráulico - Análisi de Flujo permanente
Análisis Hidráulico - Análisi de Flujo no permanente
Calidad de Agua
Método de solución
Teoría Lineal
Entorno
MS-DOS
Windows
Componentes Hidráulicos
Embalses - Tanques
Válvulas reductoras y sostenedoras de presión
Bombeo de velocidad fija o variable y otros.
Presentación de Resultados
Por pantalla
Tablas
Gráficas
Archivos de texto
Ventaja
Distribución Gratuita
Desventaja
No diseña
Lenguaje de Programación
Lenguaje C
Home page en Internet
http://www.epa.gov
H2O NET
Compañía Montgomery USA
LOOP
Origen
Banco Mundial
Aplicación
Análisis Hidráulico - Análisi de Flujo permanente
Método de solución
Método de Hardy Crooss - Métod de Newton Raphson
Entorno
MS-DOS
Componentes Hidráulicos
Embalses - Tanques
Válvulas reductoras de presión
Válvulas check
Bombeo
Presentación de Resultados
Por pantalla
Tablas
Gráficas (Perfiles)
Desventaja
No diseña
Lenguaje de Programación
Lenguaje Basic
Home page en Internet
http://www.
WATERCAD
Origen
Haestad Methods
Estados Unidos
Entorno Gráfico
WaterCAD for AutoCAD - CYBERNET
WaterCAD Stand Alone
Aplicación
Análisis Hidráulico - Análisi de Flujo permanente
Análisis Hidráulico - Análisi de Flujo no permanente
Calidad de Agua
Método de solución
Método de la Gradiente
Entorno
MS-DOS
Windows
Componentes Hidráulicos
Embalses - Tanques
Válvulas reductoras y sostenedoras de presión
Válvulas check, control de flujo, accesorios
Bombeo de velocidad fija o variable y otros.
Presentación de Resultados
Por pantalla
Tablas
Gráficas
Archivos de texto
Desventaja
No diseña - Costoso
Lenguaje de Programación
Lenguaje C - Autolisp
Home page en Internet
http://www.haestad.com
WATERCAD STAND ALONE – PROPIO ENTORNO GRAFICO
Menúes despegables
Opciones
Barras de herramienta
Ventana de Dibujo
Barras de Desplazamiento
Barra de estado
WATERCAD FOR AUTOCAD
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE
Conjunto de estructuras, instalaciones, equipos y servicios; que dará servicio a una
población en forma continua y de buena calidad.
CAPTACION
OBRAS DE CAPTACION
Fuente sub -superficial
Qmd
OBRAS DE CONDUCCION
OBRAS DE PURIFICACION
L.C. por gravedad
Qmd
OBRAS DE DISTRIBUCION
CAPTACION
Fuente superficial
Qmd
RESERVORIO
PLANTA DE TRATAMIENTO
DE AGUA CRUDA
L.C. de agua cruda
Qmd
Qmh
Qmd + Qci
Qmín
L.C. de agua tratada
Qmd
Estación de Bombeo
CAPTACION
RED DE DISTRIBUCION
Línea de Impulsión
L.C. por bombeo
24
Qb = ----- x Qmd
N
Línea de Aducción
Qmh
Qmd + Qci
Qmín
Fuente Subterránea
Pozo Profundo
PRODUCCION
DISTRIBUCION
CODIFICACION DE LA RED MATRIZ
Leyenda
Reservorio
Numeración de Tramo
Numeración de Nudos
PROTOTIPOS DE LOS COMPONENTES DE UNA RED DE DISTRIBUCION DE AGUA
Tubería a presión – Tramo
Unión a presión – Nudo (N)
Tanque de almacenamiento (TA)
Reservorio – Embalse – P.T.
Bomba
Válvula de Control de Flujo
Válvula Reductora de Presión
Válvula Sostenedora de Presión
Válvula Rompedora de Presión
Válvula de control (I
(Impedimento
mpedimento))
CAPTACION
TANQUE
ESTACION
DE BOMBEO
CISTERNA
FORMATO DE DATOS DEL RESERVORIO
Reservorio : Estructura hidráulica donde el
nivel de agua se considera constante. Con este
Prototipo se modela: Embalses, plantas de
tratamiento, captaciones,etc.
Reservorio
X
(m)
Y
(m)
Elevación
(m)
R-1
400
900
405
FORMATO DE DATOS DEL TANQUE
Tanque: Estructura hidráulica donde el nivel
de agua es variable en el tiempo.
Tanque
Elevación
Base
(m)
Elevación
Mínima
(m)
Elevación
Inicial
(m)
Elevación
Máxima
(m)
R-1
420
420
425.00
425.00
VENTANAS DE
INFORMACION DEL TANQUE
FORMATO DE DATOS DE TRAMO – TUBERÍA A PRESION
Tramo: Tubería a presión que interconecta
una estructura hidráulica con otra.
Tramo
De
Nudo
A
Nudo
Longitud
(m)
Diámetro
(mm)
Material
Coeficiente
de Friccion
T-01
R-01
N-01
800
300
PVC
140
FORMATO DE DATOS DE LOS NUDOS
Nudo: Prototipo que representa consumo o
demanda de agua o un ingreso de agua al
sistema.
Nudo
X
(m)
Y
(m)
Cota de
Terreno
(m)
N-01
400
900
405
N-02
0
900
400
Caudal de
Influencia
(lps)
8.40
FORMATO DE DATOS DE BOMBA
Bomba: Elemento hidráulico que permite
incrementar presión al sistema.
MODELAMIENTO - BOMBA
ESTACION
DE BOMBEO
Motor
Tubería de descarga
Tubería de
succión
Curva de
Abatimiento
Nudo de ingreso
a la Red de Distribución
ESTACION
DE BOMBEO
Motor
Tubería de descarga
Nivel Dinámico
Cisterna
Nivel Dinámico
Tubería de
succión
Rejilla
Bomba (Pump)
Tubería de descarga
Tubería de
succión
Pozo profunda
(Reservoir)
Nudo de ingreso
a la Red de Distribución
Nudo de ingreso
a la Red de Distribución
Válvula Reductora de Presión
VRP
X
(m)
Y
(m)
Dámetro
(mm)
Elevación
(m)
Gradiente
Hidráulico
VRP-1
VRP son usadas para separar zonas de presión, estas válvulas previenen
que la presión aguas abajo excedan un nivel de presión establecida.
Válvula Sostenedora de Presión
VSP
X
(m)
Y
(m)
Dámetro
(mm)
Elevación
(m)
Gradiente
Hidráulico
VSP-1
VSP mantiene una presión especificada aguas arriba de la válvula.
Análisis de Riesgo
Vulnerabilidad del Sistema
Papel de las Empresas
Conocer sus sistemas tanto física como operacionalmente
Prevención
Detección
Respuesta
Prevención
El entendimiento profundo de nuestro sistema es la mejor
arma de prevención
Que significa estar preparados?
•
•
•
•
•
Zonificación de riesgo
Diseñar planes operativos de emergencia
Crear escenarios de demanda de emergencia
Crear situaciones y soluciones hipotéticas
Estudios de vulnerabilidad de propagación
Herramientas disponibles
•
•
•
•
•
Simulación en tiempo extendido (EPS)
Manejo de escenarios
Controles lógicos
Calibración
Ágil manejo
Tomar la decisión correcta
•
Cuales válvulas cierro?
•
Que hidrante utilizo?
•
Que le sucederá a mi sistema?
•
Cual es la opción más efectiva?
•
Como viaja el contaminante?
•
Tengo suficiente cloro residual?
Modelos hidráulicos para respuesta de
emergencia
A tener en cuenta…
•
Análisis en período extendido
•
Configuración de controles
•
Calibración del modelo
Pasos para la modelación
•
Ajustar demandas
•
Configurar condiciones iniciales
•
Determinar escenarios de operación
•
Correr modelo
•
Interpretar resultados
Demostración…
WaterCAD 4.5