Estudio del Sistema de abasto de agua en la UCLV. Propuestas de Soluciones (página 4)

Partes: 1, 2, 3, 4

$ =h
$ =h2×I.IIk$ = 0.095
$ =h
$ =h
Tabla 3.2. Dotaciones.

Tabla 3.3. Cantidad deestudiantes enlos edificios de beca.
Edificio
C2
C3
Total
Cantidad deestudiantes
300
300
600
Qb=Cantidad de estudiantes × dotación
Donde:
Qb=caudal de la bomba enl/d
Dotación=l/d
Qb=600×180
Qb=108000 l/d
Qb=1.25 l/s
Paso 2: Cálculo del caudal de la bomba en función del tiempo de bombeo:
-En 24 horas Qb=1.25 l/s
-En 12 horas Qb=2.5 l/s
-En 6 horas Qb=5 l/s
Se tomó el caudalde 5 l/s y se realizó enun tiempo de 6horas.
Paso 3: Cálculo de la tubería de succión:
Para tuberías de diámetro hasta 250 mm y la velocidad de flujo recomendada es de
0.7m/s -1m/s (Klimov 1984)
Para v=0.7m/s
2×.
i×j
Ec 3.3
=95
i×I.^
Para v=1m/s
2×.
i×j
2×I.IIk
i×
$ = 0.075
=79
Tubería dediámetro de 89 mm com espesor de5 mm.

m=
g
g
Paso 4. Cálculo de las pérdidas en los accesorios de latubería de succión:
Válvula de retención de pie DN80 (?3in).
K=8 k=coeficiente de pérdida (tomado del manual de Diseño de Tuberías Hidráulicas
2007).
Q=caudal en
/ .
V=velocidaden m/s.
D=diámetro en metros.
h=l×
j
×B
Ec 3.4
h = 8×
×].#
= 0.41
Ec 3.5
m=
m=
2.
i×/
2×I.Ikk
i×I.I#
I.]]k8
7
=1 /
Paso 5. Cálculo de las pérdidas:
Cálculo delas pérdidas del codo 90°.
F89mm espesor de 5mm (F3in)
K=0.14
j
h =l ×
×B
h =0.14×
×].#
=0.007
Diámetro de entrada de labomba=DN65
Cálculo delas pérdidas del reducido DN80 a DN65:
K=0.11
m=
2×4.44k
i×4.4nk
= 1.51 /
h =0.11×
.k
].n
= 0.013
Cálculo de las pérdidas por longitud en la tubería de succión utilizando la ecuación Williams-
Hazen.
Longitud total= 4m
h=f
^]In2.k^×. 1.85
o×/ .K
×
Ec 3.6
h=f
^]In2.k^×k 1.85
II×^] .K
×
4 = 0.11
Las pérdidas totales de la tubería de succión =0.54m
Cálculo delas pérdidas en la tubería de descarga:

$ = h2×I.IIk = 0.08
$=h
$=h
g
g
Para las tuberías de diámetro hasta 250mmy velocidad recomendadade 1m/s – 1.5m/s
Para v=1m/s

i×j
=80
i×
Para v=1.5m/s
2×.
i×j
2×I.IIk
i× .k
= 0.065
= 65
Tubería de 2 pulgadas DN76 Y espesor de 5mm.
Cálculo delas pérdidas en la válvula de retención:
K=1.4
m=
2×4.44k
i×4.4k
= 2.55 /
h= 1.4 ×
.kk
].n
=0.46
Cálculo delas pérdidas en la válvula de cierre decuña:
K=0.11
h =0.11×
.kk
].n
= 0.036
Cálculo de las pérdidas en la TE 90°:
K=1.5
h= 1.55×
.kk
].n
=0.5
Cálculo delas pérdidas por longitud hastala TE:
Longitud total=10m
h=f
^]In2.k^×. 1.85
o×/ .K
×
h=f
^]In2.k^×k 1.85
II×kI .K
×
10= 2.52
A partir de este paso se divide el caudal hacia dos edificios (C2 y C3) y se continúa con la
secuencia de pasos que se muestra.
Cálculo de las pérdidas en los codos de 90°:
k=0.14
m=
2×4.44 k
i×4.4k
= 1.27 /
h= 0.14×
. ^
].n
=0.012

g
g
Cálculo delas pérdidas por longitud:
Longitud total =21m
h=f
^]In2.k^×. 1.85
o×/ .K
×
h=f
^]In2.k^× .k 1.85
II×kI .K
×
21 = 1.46
Cálculo de las pérdidas a la salida de la tubería:
k=1

h =1.0×
. ^
].n
= 0.082
Las pérdidas totales en latubería de descarga=1.566m
Cálculo dela carga hidráulica de la bomba:
Hb = z+hts+htd
donde:
Hb = cargahidráulica de labomba en m.
Hts = pérdidas totales en la tubería de succión en m.
Htd = pérdidas totales en la tubería de descargaen m.
Z = altura del aguaen m.
Hb = 15m+0.54+1.566m=17.106m
Luego con las características se procedea escoger la bomba teórica.
•
Q=5 l/s
•
Hb=17.106m
•
?=70%
•
?=eficiencia de la bomba teórica en %.
•
n=3480 rpm
•
Nb=3.7 KW
•
Nb=potencia de la bomba en KW.

Figura 3.4. Datos de las curvas.
Tabla 3.4. Datos de la Bomba Seleccionada(Calpeda KSB 2012).

Modelo de la bomba: Etachorm BC 032-125.1/152 C10
Bomba monoblock KSB
3.5 Sistema de información geográfica parala Red de abasto de agua
La apariciónde los Sistemas de Información Geográfica(SIG) hasupuesto un avance importante
dentro de los procesos innovadores en el ámbito de la gestión de las redes de distribución de
agua y más en concreto en el tratamiento masivo de información ligada a un abastecimiento y
los sistemas relacionados con la operación y explotación de la propia red de distribución.
Los SIG se han convertido en el núcleo de toda la información relacionada con las redes de
suministro de las empresas que gestionanlos abastecimientos de agua. La capacidadde los SIG
paracombinar lainformación geográfica conla informaciónalfanuméricahace deéstos elsoporte
ideal para tareas de consulta, inventario, gestiónde acometidas, gestión de averías, análisis de
la demanda, etc.
En los últimos años se han realizado progresos muy importantes en el campo de la integración
de los modelos matemáticos de las redes hidráulicas en el SIG, enriqueciendoasí la información
meramente inventariada para que pueda ser utilizada también en el proceso de toma de
decisiones. Sin embargo, la información requerida en un SIG para llevar a cabo las tareas de
gestión no es la misma quese necesita para confeccionar un modelo.De hecho, hay elementos
quenunca sereflejarán enel modelo,como válvulas decorte, ventosas,purgas, etc.,y encambio
puede faltar otro tipo de información relevante para los modelos como la rugosidad de las
tuberías. Tampoco conviene reflejar en el modelo todas las tuberías almacenadas en el SIG,
paraevitar un exceso deinformación quepuedallegar aconfundir posteriormente. Por otraparte,
válvulas, bombas y otros elementos de regulación, representados de una forma simpleen el SIG
como elementos puntuales, resultan ser críticos para la confección de un modelo, siendoademás
sus características hidráulicas defuncionamiento a la entrada, distintas a las de salida.
El problema actual para la utilización de los modelos no reside tanto en la capacidad de
simulación de éstos, como en la disponibilidad de los datos de partida, y en el filtrado y
verificaciónde los mismos.La labor de toma y verificación de los datos en la construcción de los
modelos ha sido siempre la más costosa, y por desgracia, tanto esfuerzo no ha servido, en
general, más que para resolver los problemas más acuciantes en ese momento, ya que una red
de distribución es algo dinámico y cambiante, y los datos tomados hoy quedan obsoletos en

pocos meses. En efecto, los elementos de regulación modifican su estado continuamente, la
demanda varía día a día, elestadode las tuberías depende de las operaciones de mantenimiento
y rehabilitación de las redes y pueden cambiar en cuestión de semanas, e incluso los trazados
cambian también con el tiempo, aunque a más largo plazo, debido a la continua ampliación y
mejora de las redes.
Parael caso objeto de estudio el SIG confeccionado como se analizó en el capítulo 2, contiene
fundamentalmente información de las redes hidráulicas einstalaciones de la UCLV. Para el caso
de los elementos de la Red los parámetros que los caracterizan son constante, no así para la
población de las edificaciones quepuedevariar en los diferentes cursos académicos.
A continuación, se detallan las diferentes instalaciones de la UCLV y los valores nominales y
reales de población, los que se deben actualizar con frecuenciaanual.
Tabla 3.5. Edificios deBeca.
Tabla 3.6. Edificios de Docentes.

Tabla 3.7. Cocina – Comedor.
Tabla 3.8. Instalaciones no docentes.
Nota: No se incluye la
capacidad nominal y real por la fluctuación de personal y cambio de las
funciones.

Tabla 3.9. Oficinas y otros.
Como se puede apreciar ladiversidad deinstalaciones en la UCLV se asemejaa una ciudad con
toda su infraestructura, debiéndose agregar un policlínico y más de 10 instalaciones de
elaboración y venta de alimentos, lo que sin duda alguna complejiza el cálculo de la demanda.
Por tal motivo se realizaron consultas con especialistas del Instituto Nacional de Recursos
Hidráulicos de Villa Clara, los que recomendaron para el caso de la modelación de red trabajar
convalores globales y refinar los cálculos con valores que tengan en cuenta el valor puntual de
la dotación.
Para caso de la redprincipal se trabajará con lasiguiente estructura dedatos:
Red Principal
Red Secundaria
Edificio Residencia Beca
Edificio Docente

Edificio no Docente
Edificio Otros
Identificador
Población
Dotación
Altura
Cisterna
Tanque elevado
I_D_Nombre
Edificio Cocina Comedor
Edificio Planta
Figura 3.5. Resultados estadísticos de las tuberías.

Unavez elaboradoel SIG con la información principal de las redes hidráulicas de la UCLV y las
edificaciones, se puede exportar aEPANET la red hidráulica para modelar sucomportamiento.
3.6 Simulación con el EPANET de la red de abasto de agua.
En el desarrollo deesta investigación se tuvola posibilidad de trabajar con el Softw areWateGens
vi8,que sin duda alguna reúne ungrupo de potencialidades superiores al EPANET, sin embargo,
paralos objetivos del trabajo con el empleo de EPANETse puede resolver todos los casos, por
lo que se utilizará el WateGens para verificar algunos resultados.
EPANET es un programa que puede, entre otras cosas:
•
Crear Modelos Matemáticos de Sistemas de Distribución de Agua Potable de cierta
complejidad (sin limitaciones en el tamaño), con miras no sólo al diseño de sus
componentes sino tambiénal estudio de condiciones operativas como el fallo de bombas,
rotura de tuberías y calidaddel agua.
•
Facilitar la realización de cálculos iterativos que,de forma manual, tomarían una cantidad
importante de tiempo, además de requerir de métodos o programas para la resolución de
las ecuaciones hidráulicas. Igualmente, el programa se aplica para cualquier topología de
red:Abierta, Cerrada o Mixta.
•
Ofrecer resultados que pueden ser utilizados para el dimensionado y selección de
componentes como Estanques, Válvulas de Control o regulación y Equipos de Bombeo
en los Sistemas deDistribución deAguaPotable.
•
Considerar diversas condiciones de demanda en la red, como en los casos de evaluar
demandas máximas horarias o demandas máximas por incendio.
Para la simulación del comportamiento de la red de abasto de agua es necesario definir las
regiones de la UCLV paradefinir la demanda base en los diferentes puntos.

Figura 3.6. Foto aérea dela UCLV (Google)
Figura 3.7. Plano de la UCLV.

Figura 3.8. Sectorización Arquitectónica de la UCLV.
A partir deesta sectorizaciónArquitectónica procedemos al cálculo de las demandas, utilizando
los valores propuestos por Norma Cubana 973-2003.
Tabla 3.10. Demanda de la UCLV.

Si comparamos el valor de demanda calculado, 1187857 litros (1187.85 m3) con la demanda
determinada en el epígrafe 3.3, que se estimó en 1260 m3 (Según la NC 973 – 2003, para una
población entre 2000 y 10000 habitantes), podemos apreciar que la diferencia es de 6%. Este
resultado válido la propuesta de esta norma que estima la demanda de 210 lppd para esta
población eindica que los datos autilizar en el EPANET son correctos.
3.6.1 Simulación del sistema actual.
Paracalibrar el modelo en base a una serie de medidas de caudal y presión tomadas en diversos
puntos de lared endeterminados instantes de tiempo, serecomienda primeramente llevar a cabo
una‘macrocalibración’ del modelo de forma manual, para obtener unamayor fiabilidad a la hora
de interpretar y asumir resultados tras una simulación hidráulica. Los parámetros que se suelen
ajustar a este fin son, fundamentalmente,rugosidades detuberías, siempre y cuando aceptemos
como válidos los datos delas cotas interpoladas y el reparto espacial de consumos. Con todo, el
resultado final, será un modelo que nos permitiráefectuar un primer diagnóstico del estado de la
red, así como llevar a cabo estudios posteriores sobre situaciones de emergencias y
ampliaciones necesarias acorto,medio y largo plazo con ciertas garantías. (Bartolini 2013)
Parala simulación del sistema actual de redes hidráulicas de la UCLV, se parte de un grupo de
datos generales, los cualestienenlos valores más cercanos a larealidad, obtenidos deconsultas
conespecialistas, teniendo en cuenta la falta dedatos de proyecto.
A partir de los datos que caracterizan la rede presente en epígrafe 2.5,se puede crear elfichero
de datos de entrada para que EPANET calcule la red. Será necesario que los siguientes datos
se encuentren especificados:
Depósito
– cota a la que estásituado(m)
Nodos de consumo:
– cota del nodo (m)

– caudal consumido (l/s)
Líneas o tuberías:
– nodos inicial y final de la línea
– longitud de la tubería (m)
– diámetro de la tubería (mm)
– rugosidadde la tubería (mm)
Bomba
– nodos inicial y final (m)
– Curva característica (Caudal (l/s))
Se parte delos siguientes datos generales:
Diámetros = 300 mm
Altura de los nodos de demanda = 12.5m
Demandas (en función dela sectorización arquitectónica)
Bomba: 48l/s
Figura 3.9. Vistadel modelo dela redactual.

Figura 3.10 Entrada de datos. Valores característicos enlos nodos.
Figura 3.11. Isolíneas que representan la altura del agua en los nodos.
Como se aprecia en la figura anterior enla medida en que nos alejamos de estación de bombeo
la presión del aguadisminuye lo que se corresponde con el comportamiento actual de la red. De
todos es conocido que en la zona de Ciencias Agropecuarias y Construcciones no llega por
gravedad el agua al 2do nivel por lo que es necesario utilizar bombas. No obstante, en consulta

conespecialistas de Recursos Hidráulicos sepropone tener en cuentalas posibles fugas deagua
tanto en las redes como en el interior de las instalaciones.
En los últimos meses con la reparación de la redprincipal en lazona central han aumentado las
presiones, sin embargo, el númerode salideros en Construcciones y Ciencias Agropecuarias se
ha incrementado.
En la realización de este trabajo se tuvo la oportunidad de trabajar con el softw are WateGens
queinteractúa conel EPANET al permitir importar y exportar ficheros en formato de EPANET. A
manera de ejemplo se representan algunos resultados de este softw are que son similares a los
obtenidos con el EPANET.
Figura 3.12. Modelo conel software WateGens
3.6.2 Simulación del sistema con el funcionamiento del tanque elevado
Durante muchos años en el sistema funcionaba un tanque elevado tipohongo el cual garantizaba
de manera estable el abasto a todas las instalaciones de la UCLV durante más de 20horas. Por
razones de falta de mantenimientoy años de explotación dicho tanqueelevado hoy no funciona

y se bombea el agua directamente a la red. El objetivo de este epígrafe es evaluar el
comportamiento dela red si este tanque funcionara y elsistemade bombeo lograra satisfacer la
demanda.
Parala modelación de este problema se colocó un taqueelevado en el nodo 29 a partir de este
paso se comprueba la variación de los principales parámetros en el sistema. Destacar en este
análisis que varios nodos no cumplen las recomendaciones de las normas que fijan que en los
edificios la presión debe ser mayor que 24 metros y que14 metros en otras instalaciones.
Figura 3.13. Isolíneas que representan la altura del agua.

Figura 3.14. Resultados enlos nodos.
En figura 3.14 los valores de presión se duplican prácticamente y se logra que por gravedad
llegue el agua a todas las instalaciones dela UCLV. Esteresultado estáen correspondencia con
el comportamiento de la red cuando el tanque elevado cumplía su función y no era necesario
utilizar bombas en la zonade Ciencias Agropecuarias. Evidentemente debido alas grandes fugas
de agua queexisten en la actualidades necesarioevaluar esta situación para obtenerresultados
fiables.
3.6.3
Simulación del sistemacon régimen extendido.
En este último modelo se determina el régimen de funcionamiento en periodo extendido (a lo
largode 24horas) de la red ya estudiadaen los epígrafes anteriores. Se aprovechará entonces
la posibilidad que ofrece EPANET de variar determinadas magnitudes, en este caso los
consumos en los nodos, asociando una curva de modulación o patrón, es decir, una curva de
carga diaria.
En términos generales, las características iniciales de la red se verán alteradas de la siguiente
manera:

– Lademanda de los nudos deja de ser un valor constante, siendo multiplicadapor el coeficiente
modulador de la demanda según la curva de modulación. De este modo el consumo adoptará
valores distintos según la hora del día.
Figura 3.15. Modelación del régimen extendido en elEPANET
Comedor Central
Facultad de Construcciones
Figura 3.16. Resultados del EPANET

En la figura 3.16 aparecen listados los resultados para un régimen extendido de 24 horas.
Podemos señalar que de comportarse el sistema de esta manera solo en el horario pico existe
unasobredemandaen algunos nodos, pudiéndoserefinar los cálculos ya que nonecesariamente
todas las instalaciones responden al mismo patrón de demanda (el comedor, la beca y los
edificios docentes).
3.5 Conclusiones parciales
Unavez realizada un análisis de varios elementos que componen el sistema de abasto de agua
de la UCLV, la confección de un SIG y la modelación de la red se arriban a las siguientes
conclusiones parciales:
1. Existe un número de soluciones técnicas que pueden mejorar el funcionamiento de la
planta potabilizadora de agua, abalado por los diferentes trabajos precedentes (Albert
(2014) y Osorio (2009))
2. El empleo de la bomba KSB Etachorm BC 032-125.1/152 C10 en la residencia de
Ciencias Agropecuarias garantizael abasto de agua a los 3 niveles.
3. Lograr el funcionamiento del tanque elevado de UCLV garantizaría el abasto por
gravedad atodos los nodos de lamisma.
4. El sistema de información geográfica elaborado constituye una potente herramienta
computacional, no solo para problemas hidráulicos sino también para la infraestructura
de UCLV.
5. La aplicación de softw ares profesionales para lamodelación dela red de abasto de agua
es una herramienta efectiva que puede caracterizar el sistema.

Conclusiones y

Recomendaciones.

Conclusiones
En este trabajo se ha realizado unprofundo estudio del sistemade abasto de agua de la UCLV.
A continuación, se hace énfasis en aquellas conclusiones, que contienen el aporte más
significativodel tema objeto de estudio:
1. Como resultado del levantamiento del sistema de abasto de agua se destaca un marcado
deterioro en elsistema de abasto deagua en la UCLV.
2. A través deungrupode soluciones técnicas pudieramejorarse elsistema deabasto deagua,
lo que aparecereflejado en el Capítulo 3 del trabajo.
3. Se elaboró un sistema de información geográfica de la UCLV con la base de datos de las
redes hidráulicas y las principales instalaciones, que constituye una herramienta para
permite la toma de decisiones para el mantenimiento de las redes hidráulicas y el sistema
de abasto.
4. Con el empleo de herramientas computacionales como el EPANET / WateGens se modelo
de manera detallada las redes de abasto de agua de la UCLV parasu estudio y evaluación.
Recomendaciones
No obstante, los resultados obtenidos enesta investigación, todavía quedan varios aspectos del
análisis y diseño del sistema de abasto deagua a la UCLV quedeben ser trabajados con mayor
profundidad. Como recomendaciones y futuras líneas de investigación que continúen la
presentadaen estetrabajo se pueden destacar las siguientes:
1. Perfeccionar el SIG con la actualización de todos los campos de los diferentes objetos.
2. Realizar una modelación de red de abasto de agua de la UCLV con datos más precisos
queincluya la red secundaria.
3. Evaluar la posibilidad de impartir a nivel de pregrado softw are como el EPANET o el
WateGens por las potencialidades de los mismos.

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