Estudio del Sistema de abasto de agua en la UCLV. Propuestas de Soluciones (página 3)

Tabla 2.3: Capacidad Total de almacenamiento de agua (m3). Figura 2.2: Cisterna enel Área de Ciencias Agropecuarias

Figura 2.3. Piscina de la UCLV. 2.3 Planta potabilizadorade agua. En visita a la plantapotabilizadora los días 13, 14 y 15 de abrildel 2016 y consultando trabajos precedentes realizados enla UCLV(Albert (2014), Osorio (2008), sepuede apreciar el altogrado de deterioro de la misma y las limitaciones técnicas quepresenta. El abastecimiento del aguacruda a la planta potabilizadora de la UCLV se realiza desde la presa Minerva. Inicialmente el agua se alimenta a un floculador con un flujo de 55 L/s. Posteriormente, pasa al sedimentador sin recibir ningún tipo de coagulante (no se realiza el proceso de coagulación-floculación). Una vez sedimentada, la mitad del agua pasa a dos filtros lentos, mientras la otra mitad es succionada e impulsada hacia dos filtros rápidos. En los filtros lentos se aplica el hipoclorito de sodio como desinfectante y después el agua es conducida a una cisterna donde es succionada e impulsada, una parte hacia el comedor central y otra hacia el tanque de almacenamiento y distribución. El agua provenientede los filtros rápidos es conducida fuera de la planta sin ningún tratamiento químico y entra en contacto con el agua clorada de los filtros lentos mediante una conexión Y, paraser transportada hacia el tanque dealmacenamiento y distribución. De manera general se pueden establecer las siguientes problemáticas en la planta (Ver Figura 2.4): • La inexistencia de un flujómetro para cuantificar el agua afluente a la planta evidencia la necesidad de instalación del mismo.

• No se añade coagulante en el proceso, por lo que no se realiza la coagulación- floculación que facilitaría la sedimentación (CONAGUA 2003, 2005). • Hay cinco manómetros conectados a los dos filtros rápidos de las cuales no funcionan ninguno y requieren reparación. • La no existencia de unsistema para la dosificación adecuada del desinfectante. • El estado de las tuberías y accesorios, así como otras estructuras metálicas y parcialmente metálicas, es de alto nivel de deterioro por corrosión y roturas, en algunos casos imposible de reparar. • De las tres bombas enlaplanta, una no funciona y las otras dos funcionana tiempocompleto, para bombear el agua del sedimentador hasta el filtro rápido, el agua proveniente de la cisternahacia el comedor central y a la estación de bombeo central, por lo que se requiere de bombas de repuesto, yaque si se presenta algúnproblema se paraliza parcial ototalmente la planta. • El aguatratadaen los filtros rápidos no contiene desinfectante. La desinfección se garantiza por la unión con el efluente de los filtros lentos. Esta estrategia debe ser cambiada, ya que en casode presentarse dificultades en los filtros lentos, habría queusar elagua de los filtros rápidos sin desinfección. • La inexistencia de un plan de mantenimiento de los equipos en la planta, atenta contra el funcionamiento de la misma de forma general, ya que, aunque los filtros rápidos se limpian diariamente, en el restode la instalación no se realiza sistemáticamente. Específicamente, la falta de mantenimiento en la estación de bombeo tiene gran influencia en la situación de la planta. • Se requiere realizar unplan decapacitación general alos operadores dela planta, queincluya temas relacionados con la operación y control de la planta, así como las normas de higiene y protección enel trabajo.

Figura 2.4. Fotos realizadas por la autora(abril 2016) 2.4 Tanque de regulación Para el análisis del tanque de almacenamiento, existen criterios divididos en la literatura consultada.Osorio(2008) en su trabajo de diploma plantea que el tanque de almacenamiento es capaz de almacenar 1225m3/día o sea el 42% del gastototal de la planta o loque es lo mismo, podría estar almacenando agua durante 10 h; teniendo en cuenta que el abastecimiento de agua a los consumidores se realiza tres veces al día y durante 2 horas este tanqueno necesitaría la realización de modificaciones, además deque existe un tanqueelevado, para el almacenamiento del agua. Albert (2014) propone que la capacidad del tanque de distribución debeser calculadaen base a los datos de consumo de la población y su distribución horaria. Se recomienda que el volumen del tanque sea 1/3 del caudal máximo diario ya que distribuye el agua 3 veces al día.

U( `a) = Ecuaciones: U( `a) = ×h b = ×U =( × c 3 Datos: Q=4752 m/d V=4752 m3 t=1 día h=11 m Ec 2.1 Ec 2.2 Ec 2.3

Ec 2.4 Resultados: U( `a) =1584 ( =c = 12 Aunque este enfoque es el más adecuado en la determinación de la demanda para la UCLV, el cálculo de los valores de Dotación y Población es muy complejo, al tener en el centro varias instalaciones con funciones y demandas diferentes. Por citar algunos casos existen en la universidad: 2 comedores, 8 edificios de facultades, 11 edificios de beca, 2 plantas de producción,2 piscinas, 1 policlínico. Utilizando la expresión 1.1 a la 1.4 con una demanda de 150 lppd y una población de 6000 personas, lademanda sería de 900000 lppd = 900m3, osea el 80 % del volumen total del tanque. Esteresultado demuestra que la reservade aguaen la UCLV, es de menos de un 1 día, en caso de que se corte lafuente de abasto. Noobstante,en esteanálisis nosetiene encuentaaspectos importantes como la reserva para incendios, el consumo de las instalaciones deportivas (2 piscinas) y las dos plantas productoras (IBP y CBQ). Sin duda alguna, la demanda que estas instalaciones generan, hace que la reserva de agua del sistema sea mucho inferior, y queda demostradacada vez quese cortael abasto por el sistema Minerva-Ochoita que el centro queda sin agua. En el capítulo 3 serealizará un análisis más detallado para el cálculo de la demanda en función de cada instalación.

Figura 2.5. Cisterna y tanque Elevado dela UCLV 2.5Bases iniciales parala confección de un SIG de las redes hidráulicas de la UCLV. El empleo de los SIG comoherramienta computacional para la solución de problemas ingenieriles es amplia, pudiéndose destacar los trabajos de Peña (2006), Conesa (2005), Parra etal. (1997). Gutierrez (1994) y Barranco (2011). Para la continuidad a este trabajo se propuso una metodología la creación del Sistema de InformaciónGeográfica, que a suvez permitiría exportar sus resultados a otros softwares como el EPANET o WateGens, teniendo en cuenta la experiencia dediferentes autores. • Paso 1: Levantamiento enAutoCAD de la planta física de la UCLV. • Paso 2: Filtrado del plano (Eliminación deobjetos innecesarios). • Paso 3: Creación de una capa (Layer) para cadaelemento de la planta física. • Paso 4: Levantamiento deposible trazado de las redes hidráulicas. Es importante destacar que este paso se realizó recompilando información de diferentes fuentes (GeoCuba, INRH, Trabajos de curso de la UCLV). Sin embargo, aún resulta insuficienteel completamiento dela información en algunas áreas, siendo más crítica la situación en el trazado de las redes de los edificios independientes. • Paso 5: Levantamiento dela posición deválvulas, ventosas y otros accesorios Este paso se realizó recompilando información de diferentes fuentes (INRH, Trabajadores de la UCLV con experiencia). • Paso 6: Filtrado del trazado de lared hidráulica. (Ubicación de posibles redes). • Paso 7: Creación del plano para el SIG (MapInfo).

Paso 1: Levantamiento en AutoCAD de la planta física de la UCLV.

Para la confección del plano enplantade la UCLV fue necesario recopilar información en diferentes instituciones y trabajos precedentes. La mayoríade la información existentese limitaba a zonas específicas del centro y muchos casos no ubicaban la totalidad de los inmuebles. Figura 2.5. Planta de la UCLV.

Paso 2: Filtrado del plano (Eliminación deobjetosinnecesarios) Una vez confeccionado el planto total se procede a la eliminación de algunos objetos que no existen enla actualidad, asícomoa la verificación de laexistencia de otros. Se eliminan algunos puntos, líneas, etc. que no aportan información al objetivo del trabajo. Paso 3: Creación de una capa (Layer) para cada elemento de la planta Conel objetivo depoder exportar a otras aplicaciones la plantaconstruida seprocede a montar encapas los diferentes elementos del plano, siguiendoel criterio de agrupar los elementos por sufuncióny características. En caso dela necesidad de crear nuevas capas con otros fines a partir del plano base se puede realizar nuevas modificaciones. Sedestaca que parte de las redes hidráulicas ya están digitalizadas,por lo que en el próximo paso se procede asu creación definitiva. Figura 2.6. Layers de laUCLV confeccionados en AutoCAD.

Figura 2.7. Vista en AutoCAD de la zonadel SEDER – Facultad de Construcciones. (Rojo: Red Principal, Azul: red Secundaria, Verde: Edificaciones) Paso 4: Levantamiento de posible trazado de lasredeshidráulicas Eneste paso se verifica el trazado de la red principal y secundaria, con el apoyo delos planos existentes y en consulta con especialistas. Como se menciona anteriormente el volumen de trabajo para este paso es el mayor y más complicado, pues no existecertezadel trazado de la red secundaria en la zona central (Teatro, Rectorado, Facultad de Humanidades). En el caso deCiencias Agropecuarias destacar queen el año 2001se construyóuna planta potabilizadora deagua y estaciónde bombeo, lacual solo funcionó durante 2cursos y el trazado delas redes data de la construcción de la Escuela Militar “Camilo Cienfuegos” en el año 1971. Con posterioridad se han realizado trabajos de rehabilitación y nuevos trazados, como por ejemplo la construcción de3 cisternas y el cambio en la forma de abasto a cada edificio de residencia.

Figura 2.8. Red Principal y edificaciones docentes y residencia(Rojo:Red Principal, Azul: red Secundaria, Verde: edificaciones) Paso 5: Levantamiento de la posición de válvulas,ventosasy otrosaccesorios De manera similar al paso anterior se realizó unrecorridopor eltrazadoy se verificó lapresencia de estos dispositivos. En el caso de las válvulas la mayoría no se utilizan o bienpor no funcionar o por el peligro de aumentar la presión en la red y provocar fugas. En el caso de las ventosas esteaño 2016 se pretendecolocar 6 unidades en diferentes puntos del trazado. Paso 6: Filtrado del trazado de la red hidráulica.(Ubicación deposiblesredes) Este paso, el más complicado en volumen de trabajo, consiste en una vez levantado la red, los inmuebles y demás instalaciones, verificar cada línea de la red principal y secundaria y como llega a su destino.A pesar de los esfuerzos por eliminar los trazos innecesarios en la zona de

Ciencias Agropecuarias existe un trazado de la red principal que no se conoce el punto de abasto final, pudiendo ser un objeto de obra noconstruido o que no existe enla actualidad. En la zona central también ocurre algo similar en el trazado entre los edificios del rectorado, biblioteca y sociales. En aras de cumplir con laculminación del trabajo, en esta zona se ubica la red principal hasta un punto común, del cual deben salir las redes secundarias. Paso 7: Creación del plano para el SIG (MapInfo) Unavez elaboradoun plano en AutoCADse procede aexportar el mismo a otros formatos para ser utilizados por otras herramientas computacionales como el EPANET, MapInfo, WateGens, etc. Contar con este plano es la base fundamental para desarrollar estas y otras aplicaciones informáticas, no solo relacionadas con la ingeniería hidráulica, sino también la arquitectura y la ingeniería civil. Figura 2.9. Plano en MapInfo 2010

Figura 2.10. Vistaen MapInfo. (Verde:Edificaciones, Magenta: Vías de comunicación, Azul: Río) Figura 2.11. Zona Facultad de Construcciones.

2.5 Bases iniciales parala modelación del sistemade abasto de aguaen la UCLV Parala simulación de la red de abasto de agua se propone la utilización del softw are EPANET. Este es un programa de ordenador que realiza simulaciones en períodos prolongados del comportamiento hidráulicoy la calidad del agua en redes de suministroa presión. Unared puede estar constituida por tuberías, nudos (uniones entre tuberías), bombas, válvulas y depósitos de almacenamiento o embalses. Efectúa un seguimiento de la evolución de los caudales en las tuberías, las presiones en los nudos, los niveles en los depósitos, y la concentración de las especies químicas presentes en el agua, a lo largo del período de simulación discretizado en múltiples intervalos de tiempo. El éxito de EPANET (Rosman 2000, Martinez 2003) radica en su potente simulador hidráulico queofrecelas siguientes prestaciones: – No existe límite en cuanto altamaño de la red que puede procesarse. – Las pérdidas de carga pueden calculares mediante las fórmulas de Hazen-Williams, de Darcy-Weisbach o deChezy-Manning. – Contempla pérdidas menores en codos, accesorios, etc. – Admite bombas de velocidadfija o variable. – Permite considerar varios tipos de válvulas, tales como válvulas de corte, de retención, y reguladoras depresión o caudal. – Considera diferentes tipos de demanda en los nodos, cada uno con su propia curva de modulación en el tiempo. – Admite leyes de control simples, basadas enel valor del nivel en los depósitos. Los pasos a seguir normalmente para modelar un sistema de distribución de agua con EPANET sonlos siguientes: – Dibujar un esquema de la redo importar unadescripción básica del mismodesdeun fichero de texto. – Editar las propiedades de los elementos que configuran el sistema en el editor de propiedades. – Describir el modo de operación del sistema (arranque o parada debombas, abertura ocierre de válvulas, etc.) mediante leyes decontrol. – Seleccionar las opciones de cálculo (ecuaciones decálculode pérdidas de energía, sistema de unidades)

– Realizar el análisis hidráulico, rodando el programa. – Observar los resultados en tablas o gráficas. A continuación se explican de manera muy concreta el sistema EPANET y su funcionabilidad parala modelación de la red de la UCLV. EPANET modela unsistema de distribución de agua como un conjunto de líneas conectadas por sus nodos extremos. Las líneas representan tuberías, bombas,o válvulas de control.Los nodos representanpuntos de conexión entre tuberías o extremos de las mismas, con o sin demandas (en adelantelos denominaremos en general Nodos de Caudal), y también depósitos o embalses. La figura siguiente muestra cómo se interconectan todos estos objetos entre sí para formar el modelo de una red(Martinez 2001). Nodos de Caudal: son los puntos de la reddonde confluyen las tuberías o bien sus extremos,y a través deellos elagua entra o sale de lamisma(también pueden ser sólo puntos depaso). Los datos básicos imputados alos nodos son: • la cota respecto aun nivel de referencia(usualmente el nivel del mar). • la demanda de agua (flujo que abandona la red). • la calidad inicial del agua. Los resultados obtenidos para los nodos,en cada uno de los períodos de simulación, son: • la altura piezométrica (energía internapor unidad de peso del fluido, o biensuma de la cota más la altura depresión). • la presión. Embalse Bomba

Tubería Demanda

Figura 2.12. Componentes físicos deun Sistema deDistribución de Agua. Depósito Válvula

Nodo de

• la calidad del agua. Los nodos de caudal pueden también: • presentar unademanda variable en el tiempo. • tener asignados distintos tipos de demanda (doméstica, industrial, etc.) • presentar unademanda negativa, indicando que el caudalentra a la red através del nodo. • ser punto de entrada de unafuente contaminante ala red. • tener asociadoun emisor (o hidrante), cuyocaudalde salida depende dela presión. Embalses: son nodos que representan una fuente externa de alimentación, de capacidad ilimitada, o bien un sumidero de caudal. Se utilizan para modelar elementos como lagos, captaciones desde ríos, acuíferos subterráneos, o también puntos de entrada a otros subsistemas. Los embalses pueden utilizarse también como puntos de entrada de contaminantes. Las propiedades básicas de un embalse son su altura piezométrica (que coincidirá con la cota de lasuperficie libredel agua si éste seencuentra a la presión atmosférica), y la calidad delagua en el mismo, casode realizar un análisis de calidad. Depósitos: son nodos con cierta capacidad de almacenamiento, en los cuales el volumen de agua almacenada puede variar con el tiempo durante lasimulación. Los datos básicos de un depósitoson: • la cota de solera(para la cual el nivel del agua es cero) • el diámetro (o sugeometría si no es cilíndrico ) • el nivel del agua inicial, mínimo y máximo. • la calidad inicial del agua. Los principales resultados asociados a undepósito, a lo largo de la simulación, son: • la altura piezométrica (cota de lasuperficie libre) • la presión(o nivel del agua) • la calidad del agua. El nivel del agua en los depósitos debe oscilar entre el nivel mínimo y el nivel máximo. EPANET impide la salida del agua del depósito cuando está a sunivel mínimo y cierra laentrada de agua cuando estáa su nivel máximo. Los depósitos también pueden utilizarsecomo puntos de entrada de contaminantes ala red.

Emisores: son dispositivos asociados a los nodos de caudal que permiten simular el flujo de salida a través de una tobera u orificio descargando a la atmósfera. El caudal de salida por un emisor varía en función dela presión disponible en el nodo, conforme ala ecuación: q=C×p? Ec. 2.1 donde: q = caudal. p = presión. C =coeficiente dedescarga. ? = exponente de lapresión. En el caso de las toberas y rociadores (Streeter 1980) el exponente ? toma elvalor 0,5 mientras que el coeficiente de descarga viene proporcionado por el fabricante, en unidades lps/m 0.5 (gpm/psi0.5), y representa el caudal que sale por el emisor parauna caída de presión en el mismo de 1m (1 psi). Los emisores se emplean para simular elcaudal que sale a través de un rociador en una red de extinción de incendios, o a través de un hidrante en un sistema de riego a presión. También pueden emplearse para simular una fuga en una tubería conectada al nodo (en este caso el coeficientede descarga y el exponente de la presión enla fugadeben estimarse) o paracalcular el caudal de incendios en un nodo (esto es, el caudal extra que puede suministrarse para una presión residual mínima). Para esto último basta imponer un valor elevado al coeficiente de descarga (p. ej. 100veces el caudal máximo esperado) y modificar la cota delnodo agregándole el valor de la presión mínima requerida, en m (pies). EPANET interpreta los emisores como una propiedad del nodo, y no como un componente independiente. Cuando se especifica un emisor y una demanda normal en un nodo, el valor que presenta EPANET (Gámez 2015) en los resultados de salida incluye a ambos, la demanda normal y el caudal que atraviesa el emisor. Tuberías: son líneas que transportan el agua de un nodo a otro.EPANET asume que las tuberías están completamente llenas en todo momento, y por consiguiente que el flujo es a presión. La dirección del flujo es siempre del nodo de mayor altura piezométrica (suma de la cota más la presión, o bien energía interna por unidad de peso) al de menor altura piezométrica. Los principales parámetros de una tubería son: • los nodos inicial y final. • el diámetro.

• la longitud. • el coeficiente de rugosidad (para calcular las pérdidas de carga) • su estado (abierta, cerrada, ocon válvula deretención). El parámetro de estado permite simular el hecho de que una tubería posea válvulas de corte o válvulas de retención (válvulas que permiten el paso del flujo en un solo sentido) sin tener que modelar estos elementos explícitamente. Los datos de una tubería relacionados con los modelos de calidad son: • el coeficiente de reacción en el medio • el coeficiente de reacción en lapared. Los resultados en una tubería contemplan: • el caudal de circulación. • la velocidad del flujo. • la pérdida de carga unitaria. • el factor de fricción para la fórmula deDarcy-Weisbach. • la velocidad media de reacción(a lo largo dela tubería). • la calidad media del agua (a lolargo de la tubería). La pérdida de carga(o de altura piezométrica): en una tubería debida ala fricción por el paso del agua, puedecalcularse utilizando tres fórmulas de pérdidas diferentes: • la fórmula de Hazen-Williams. • la fórmula de Darcy-Weisbach. • la fórmula de Chezy-Manning. La fórmula de Hazen-Williams es la más utilizada en EEUU. Sin embargo, no puede utilizarse para líquidos distintos del agua, y fue desarrollada originalmente sólo para flujo turbulento. Desde el punto de vista académico, la fórmula de Darcy-Weisbach es la más correcta, y es aplicable a todo tipo de líquidos y regímenes. Finalmente, la fórmula de Chezy-Manning es utilizada usualmente para canales y tuberías de gran diámetro, donde la turbulencia está muy desarrollada.

Al aplicar la fórmula de Darcy-Weisbach, EPANET emplea distintos métodos para calcular el factor de fricción f,dependiendo del tipo de régimen: • •

• Para flujo laminar (Re < 2.000) emplea la fórmula de Hagen–Poiseuille. Paraflujo turbulento (Re >4.000) emplea la aproximación explícita de Sw amee y Jain a la fórmula deColebrook-White. Parael flujo de transición (2.000 < Re < 4.000) aplica una interpolación cúbica al diagrama deMoody. Tabla 2.4. Fórmulas de Pérdida de Carga paratubería llena (las pérdidas seexpresan en mca y el caudal en m3/s) Tabla2.5. Coeficientes de Rugosidad.

Las tuberías pueden abrirse o cerrarse endeterminados instantes de lasimulación o bajo ciertas condiciones específicas, por ejemplo cuando el nivel de un depósito rebasa por encima o por debajo unos ciertos límites,o cuando la presión en un nodo supera o queda por debajodeciertos umbrales. Las pérdidas menores (también denominadas pérdidas localizadas) pueden interpretarse como debidas al incremento de la turbulencia que se produce en los cambios de dirección, codos, accesorios,etc. La importancia de incluir o no tales pérdidas depende del tipo de red modelada y de la precisión de los resultados deseada. EPANET permite asociar a cada tubería un coeficientede pérdidas menores. Tabla 2.6. Coeficientes de Pérdidas Menores paraalgunos Accesorios. Bombas: son líneas que comunican energía al fluido elevando su altura piezométrica. Los datos principales de una bomba son sus nodos de aspiración e impulsión y su curva característica a velocidad nominal (o relación entrecaudal trasegado y laalturacomunicada). En lugar de dar la curva característica, el comportamiento de una bomba puede también modelarse admitiendo que trabaja a potencia constante para cualquier combinación de caudal y altura, lo que permite determinar la altura comunicada al fluidoen función del caudalde paso.

Los resultados principales asociados a una bomba son el caudal trasegado el incremento de altura comunicada al fluido. El flujo a través de una bomba es de sentido único, y EPANET no permite a la bomba operar fuera del rango delimitado por su curva característica. Se pueden considerar también bombas develocidad variable, sinmás que especificar el valor de su velocidad relativa de giro, con las mismas restricciones anteriormente mencionadas. Por definición, a la curva original de la bomba suministrada como dato, se le supone una velocidad relativa de 1. De este modo, si la velocidadde girose duplica, entonces la velocidad relativasería 2; y si gira a mitad velocidad, entonces sería 0,5. Al cambiar la velocidad de giro de labomba, su curva característicase desplaza y cambiade forma. Al igual que las tuberías, las bombas puede pararse o arrancarse durante la simulación en instantes prefijados, o cuando se cumplan determinadas condiciones en la red. También se puede controlar el modo defuncionamiento de una bomba asociándole una Curva de Modulación a su velocidad de giro. EPANET permite además calcular el consumo energético de una bomba y su coste. Para ello cada bomba puede tener asociada una curva de rendimiento y una curva de modulación de los costes energéticos. Válvulas: Las válvulas son líneas que limitan la presióno el caudal enun punto determinado de la red. Los datos principales de una válvula son: • los nodos aguas arribay aguas abajo. • el diámetro. • la consigna. • su estado (forzado o no). Los resultados asociados con una válvula son básicamente el caudal de paso y la pérdida de carga. Además de los componentes físicos, EPANET utiliza tres tipos de componentes complementarios: • curvas de comportamiento. • curvas de modulación. • leyes de control. • modo de operacióndel sistema.

Curvas de Comportamiento:son objetos quecontienen pares dedatos ordenados,los cuales representanuna relación entre dos magnitudes. Dos o más objetos físicos pueden compartir la misma curva. En unmodelo de EPANET se pueden declarar los siguientes tipos de Curvas: • Curvas Características. • Curvas de Rendimiento. • Curvas de Cubicación. • Curvas de Pérdidas. Curvas de Modulación:son unasecuencia defactores multiplicativos que, aplicados sobre un valor base, hacen que éste varíe con el tiempo. Las Curvas de Modulación se asocian a las demandas en los nodos, alas alturas de los embalses,a la velocidad de giro de las bombas, a las inyecciones de contaminantes en la red, y al precio de la energía. Dentro de un intervalo se admite que el valor de la magnitud permanece constante, e igual al producto del valor base por el factor multiplicativo correspondiente a dicho intervalo.Aunquetodas las curvas de modulación tengan el mismo intervalo de tiempo, cadauna puede contener un número diferente de períodos. Cuando el tiempo de simulación excede al definido por el número de períodos de la curva, ésta se repite a partir del primer período. Leyes de Control: son reglas que determinan el modo de operación de la red durante la simulación. Controlan el estado de determinadas líneas de la red en función del tiempo, de los niveles en los depósitos y de las presiones enpuntos dereferenciade lared. Las leyes decontrol pueden clasificarseen dos categorías: • Leyes de Control Simples. • Leyes de Control basadas enReglas. El modelo de simulación hidráulica de EPANET: calcula las alturas piezométricas en los nodos y los caudales en las líneas,dados los niveles iniciales enlos embalses y depósitos, y la sucesión en el tiempo de las demandas aplicadas en los nodos. De un instante al siguiente se actualizan los niveles en los depósitos conforme a los caudales calculados que entran o salen de los mismos, y las demandas en los nodos y niveles en los embalses conforme a sus curvas de modulación. Para obtener las alturas y caudales en un determinado instante se resuelven simultáneamente las ecuaciones de conservación del caudal en los nodos y las ecuaciones de

pérdidas en todos los tramos de la red. Este proceso, conocido como “equilibrado hidráulico”, requiere el uso de método iterativopara resolver las ecuaciones de tipono lineal involucradas. A manera de ejemplo se realiza un ejemplo en el EPANET para la red de la UCLV, conformada conlos datos aportados por el trazado enAutoCAD. Sedebe destacar que serealizan un grupo de simplificaciones, en aras de comprobar la efectividaddel modelo. En este ejemplo soneliminadas algunas tuberías secundarias dela red, y no setienenen cuenta algunas edificaciones cuyademanda base es muy pequeña o insignificante enlos resultados. La siguiente figura representa la Red dela UCLV considerandola red principal y los principales puntos de demanda de agua. Se destaca que en la zona de Ciencias Agropecuarias la red de tubería es muy extensa (Ver plano en AutoCAD), y se trabaja solo con las redes principales, teniendo en cuentalas demandas. Figura 2.13. Red de la UCLV. Nodos

Figura 2.14. Red dela UCLV. Tuberías. Figura 2.15. Resultados. Tuberías.

Figura 2.16. Resultados. Tuberías. Conociendo los parametros de la red puede modelarse el comportamiemto de la misma, evaluando la presìon y carga en los diferentes nodos del sistema. Es importante destacar que los paràmetros que caracterizan la red serán en varios casos asumidos, pues no seconoce en todos los casos los dìametros de las tuberías y el material que las compone. De manera simliar al no conocer el trazdo exacto enalgumos puntos se asumirà la demanda del sector en el nodo terminal, quedando para futuros trabajos precisar el trazado excato decada tubería. Conesta herramienta computacional se podra simular el comportamiento de lared para posibles situaciones como son: el cierre de valvulas, para cambiar la presión en el sistema, el funcionamiento del tanqueelevado para estimar carga en los diferentes nodos, (funcionamiento del sistemaen la dècadadelos 80y 90cuando el agua llegaba por gravedad atdos losedificios), además deconstituir una herramienta para los inversionistas para la toma de futuras soluciones en la rehabilitación de la red.

2.6 Conclusiones Parciales Después de realizado el levantamiento del sistema de abasto de agua de la UCLV y con la elaboración de las bases para la confección del sistema de información geográfica y la modelación del mismo se arribana las siguientes conclusiones parciales: 1. La planta potabilizadora deagua presenta un alto gradode deterioro. 2. Se crearon las bases para la confección de un Sistema de Información Geográfica para el procesamiento de datos de la planta física dela UCLV. 3. Se demuestra la validez del empleo de herramientas computacionales para la modelación de la red deabastode agua de la UCLV.

Capítulo 3

Capítulo 3: Estudio de algunasproblemáticasdelsistemade abasto de aguadelaUCLV. 3.1 Introducción En este capítulo se realizan un grupo derecomendaciones para el mejoramiento del sistema de abasto de agua de la UCLV que pueden servir a los decisores en el momento de proponer las futuras inversiones, además de modelar con softw are EPANET la red hidráulica. Inicialmente se proponen un grupo de medidas para mejorar el funcionamiento de la Planta Potabilizadora de Agua, la determinación de la demanda en función de la población y el diseño de la bomba de agua para satisfacer la demanda de los edificios de becados de la zona de Ciencias Agropecuarias. Conla creación deun SIG,la definición delos datos quese procesan y la creación deun modelo querepresente la red hidráulica dela UCLV se brinda una importante herramienta parael estudio y simulación del comportamiento del sistema deabastode aguade la UCLV. 3.2 Recomendaciones para el mejoramiento de laplantapotabilizadorade agua. Como se describió anteriormente el abasto de agua a la UCLV proviene de la fuente Minerva- Ochoita, la cual presenta problemas de calidad desde elpunto de vista químico. Existen trabajos precedentes (Albert (2014)) que realizan propuestas de intervención de esta planta que permitirían mejorar la calidad del agua. Por la complejidad de la reparación de la misma y la importancia de su funcionamiento, pudieran adoptarse medidas temporales para mejorar su funcionamiento. Desde el punto de vista químico, la manera en que se agrega cloro al agua no cumple ningún parámetro técnico, puede limpiarse el tanque de sedimentación, actividad que hace8 años no serealiza y se pudierancambiar las bombas existentes, por similares, debido a los años deexplotación delas mismas. Teniendo en cuentalas problemáticas detectados en la planta potabilizadora de agua, en visitas realizadas los 10 primeros días del mes de abril del 2016y según lo expuestoen el epígrafe 2.3 de este trabajo seconcluye que: 1. La infraestructura de la planta potabilizadora de la UCLV presenta un alto grado de deterioro, los equipos están trabajando a una capacidad superior a la de diseño y las instalaciones destinadas al tratamiento físico-químico en dicha planta no están

cumpliendo la función requerida, lo que evidencia la necesidad de remodelación de la planta. 2. A pesar de la situación de la planta, duranteel tiempo de realización de los análisis, los parámetros físicos, químicos y microbiológicos evaluados en el efluente están dentro del rango establecido por la NC 827:2012, lo que evidencia la calidadde la fuente de abasto

deagua y la intensidad del proceso de desinfecciónque se realiza. 3. Es necesario cambiar la estrategia para la desinfección, instalar dosificadores para el hipoclorito de sodio y aplicar la dosis idónea, de acuerdo a la demanda de cloro

determinada. 4. Las alternativas propuestas para la remodelación de la planta potabilizadora por Albert (2014), basadas en el aumento de capacidad de la misma, así como la implementación adecuada de las operaciones de coagulación floculación y desinfección y cambio del esquema de filtración en uno de los casos, ofrecen soluciones que permiten garantizar una adecuada operación de la planta. 3.3Volumen del tanque de almacenamiento. En oportunidades, sobre todo en pequeños abastecimientos, el agua captada es conducida desde la fuente hacia untanque, paraluego ser bombeadahasta otro tanque de almacenamiento para posteriormente ser distribuida. Dicho depósito debe estar ubicado entre la fuente donde se genera el agua y la bomba que la succiona. El depósito de succión, compensa la entrada de un caudal constante durante un tiempo “ts” y la salida deun caudal constantedurante un tiempo “tb”. Figura 3.1. Gráficode undepósito de agua.

g Para calcular el volumen del depósito de succión otanquede almacenamiento se puede seguir el siguiente procedimiento: Figura 3.2. Esquema de Curva vs Demanda Volumen de compensación Vc = a + b Ec 3.1 Por semejanza de triángulos semejantes b/ 2 = b/ [(6e1) 01 Ec 3.2 X = $f1 M 01 2 Ec 3.3 Despejando de esta expresiónseobtiene que:

donde: Vc=volumen decompensación m3. Vd= volumen deldepósito m3. Tb= tiempo de bombeo en horas. Considerando esta expresión y para un tiempo de bombeo de 6 horas, el volumen del depósito es de 945 m3, (Considerando: Población de 6000 habitantes, dotación de 210 lppd según lo 3 establecido en tabla 1 de la NC 973 – 2003, la demanda es de 1260 m) por lo que solo se garantiza agua aproximadamente para medio (1/2) día, sin tener en cuenta reservas para operaciones como incendio o el abastecimiento a las instalaciones deportivas. Este resultado se

corresponde con el comportamiento real del sistema, cuando ocurren interrupciones con el suministro de la fuente Minerva-Ochoita no hay reservapara más de un día. Tabla 3.1. Dotación en litros por habitantes al día (lppd). Nota: Esta tabla secorrespondecon la NC 973-2003. 3.4 Sistema de abasto de aguaen la residencia estudiantil de ciencias agropecuarias. A continuación, se realizael diseño de la bombadel sistema deabasto de agua del edificio C2 y C3 de la residenciaestudiantil, que comose plantea enel capitulo1 nologra abastecer de agua el 2do y 3er nivel, independientemente del llenado inicial de los tanques elevados. Figura 3.3. Esquema de abasto deagua a edificioC3. Diseño de la bomba de la residenciaen área de Ciencias Agropecuarias: Paso 1: Cálculo dela demanda deagua (Segúnla NC 176:2002):