Estudio del Sistema de abasto de agua en la UCLV. Propuestas de Soluciones (página 2)

Tabla1.7: Dotación en litros por habitantes al día (l/hab/d) Seconsultaron además las normas cubanas relacionadas con el cálculode las demandas y las dotaciones (NC 176: 2002 / NC 9311:1993) A manera de resumen se expone gráficamente el abasto de agua en Cuba y en el mundo (Ver figura 1.1) Figura 1.1. Cobertura de agua potable por provincias, año 2011.

Figura 1.2 Consumo de agua enel mundo 1.3Los sistemas de abasto de agua. El abastecimientode agua potable es una cuestión de supervivencia. Todos necesitan acceso a una cantidad suficiente de agua pura para mantener la buena salud y la vida. Sin embargo, no todo se reduce a los 15 o 20 litros de agua por día que se necesitan para mantenerse vivo y sano. El agua es un compuesto formado por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Su fórmula molecular es H O. El agua cubre el 72% de la superficie del planeta Tierra y representa 2 entre el 50% y el90% de la masa de los seres vivos. Es una sustancia relativamente abundante, aunque sólo supone el 0,22% de la masa de la Tierra. Se puede encontrar esta sustancia en prácticamente cualquier lugar de la biosfera y en los tres estados de agregación de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Se halla en forma líquida en los mares, ríos, lagos y océanos;en forma sólida, nieve o hielo, en los casquetes polares, en las cumbres delas montañas y en los lugares dela Tierra donde la temperatura es inferior acero grados Celsius; y en forma gaseosase halla formando parte de la atmósferaterrestre como vapor de agua. El agua cubre tres cuartas partes de lasuperficie dela Tierra. El 3% de su volumen es dulce. De ese 3%, un 1% está enestadolíquido,componiendolos ríos y lagos. El 2% restante seencuentra formandocasquetes o banquisa en las latitudes próximas alos polos. Es fundamental para todas

las formas de vidaconocidas. Las personas consumen agua potable lacual sedenomina alagua que se encuentra en condiciones actas para el consumo humano según unos estándares de calidad. Un sistema de distribución de agua potable se proyecta para suministrar un volumen suficiente de agua a una presión adecuada y con una calidad aceptable, desde la fuente de suministro hasta los consumidores. El sistema básico de abastecimiento de agua potable, incluye la infraestructura necesaria para captar el agua deuna fuente que reúnacondiciones aceptables, realizar un tratamiento previo para luego conducirla, almacenarla y distribuirla a la comunidad en forma regular. En un sistema de abastecimiento de agua, es importante que se tome en cuenta a toda la población que sebeneficiará. En laliteratura nacional consultadase puede referenciar diferentes trabajos relacionados conlas redes de abasto de agua los cuales se encuentran citados en la revista Ingeniería hidráulica y ambiental de la CUJAE. Estos trabajos están relacionados fundamentalmente con la calidad del agua y la evaluación técnica económica de los sistemas de abasto de agua (Lopez 2009, Martinez 2011 a, b,c). En el trabajo de Boch (2014) se acerca bastante a la problemática de la UCLV al analizar el funcionamiento de sistemas de abasto de agua enun municipio. Además, ennuestra universidad se han elaborado 3 trabajos dediploma y unatesis de maestría donde se aborda el tema relacionado con el sistema de abasto. Morales (2008) propone un sistema de abasto de agua a redes rurales, Osorio (2013) realiza un diagnóstico de la planta potabilizadora de laUCLV con vista a mejorar lacalidad del agua. De Armas (2013) propone un sistema automatizado para las plantas potabilizadoras. El trabajo más completo relacionado con la planta potabilizadora lo realiza Albert (2014) relacionado con la rehabilitación completa de dicha planta. En el capítulo 2 de este trabajo se hará referencia a la planta de tratamiento de agua.

Figura 1.4. Componentes de un sistema de abastecimiento de agua. A continuación se relacionan los elementos que componen un sistema de abasto de agua y se especifica en aquellos que están presentes en la UCLV. Teniendo en cuenta que el suministro viene a través del sistema Minerva Ochoita no se profundizará en este tema. Por la antigüedad de laconstrucciónde nuestro centro hoy no se cuenta con informaciónreferida al trazado delas redes hidráulicas y sus características. Enestesentido seabordará losconceptos fundamentales parael diseño y revisión de las redes dentro del sistema de abasto deagua. 1.4 Normativas paraelaborar proyectosde sistemasde abastecimiento de aguapotable . El presente epígrafe pretende exponer en forma clara y sencilla los lineamientos para elaborar los proyectos hidráulicos de los sistemas de abastecimiento de agua potable. El objetivo de un sistema de abastecimientoes proporcionar un sistema eficiente, considerando cantidad, calidad y continuidad. En laelaboración deun proyecto se deben plantear varias alternativas,definiendo paracadauna de ellas, las obras que lo integran, realizando un análisis y selección de la más conveniente, en función de los aspectos deeficiencia, constructivos y económicos.

1.4.1 Datos para el proyecto Parallevar a cabo los proyectos de Agua Potablede los fraccionamientos y condominios(Norma Mexicana (2014)),se deben de conocer los siguientes datos: Tabla1.8. Datos a considerar en el diseño deproyectos de agua potable (Norma Mexicana (2014)).

LÍNEA DE CONDUCCIÓN Se llama línea de conducción al conjunto de tuberías, estaciones de bombeo y dispositivos de control, que permiten el transporte del agua desde una fuente de abastecimiento, hasta el sitio donde seráregulada y posteriormente distribuida. La conducción por bombeo se requiere cuando la fuente de abastecimiento tiene una altura piezométrica menor a la requerida en el punto de entrega, es decir, se encuentra en un nivel inferior al del tanque de regulación o la red de distribución. La conducción por gravedad se requiere cuando la fuente de abastecimiento tiene una altura piezométrica mayor a la requerida en el punto de entrega, es decir, se encuentra en un nivel superior al del tanque de regulación o la red de distribución. Conceptosaconsiderarparaeldiseño(Mayol1981,1983, Mayne 1983) Las tuberías de conducción deberán de cumplir con los aspectos mencionados a continuación: Contar conel perfily el trazodel terrenodonde se ubicará la línea. • No cruzar terrenos particulares. • Dejar pasillos de servicio entre terrenos para ubicar la línea de conducción. Estos pasillos de serviciodeberánser de4.00mde ancho mínimo (2.00m a cada lado), con acceso libre de construcciones y obstáculos, no se permitirá ningún tipo de construcción. • Buscar el recorridomás corto entre lafuente de abastecimientoy el tanque deregulación. • Deberá de ubicarse la línea de conducción en zanjas separadas de las redes de distribución. • En laconducción nunca deberán de conectarsetomas domiciliarias. • Deberá de contar con válvulas deadmisión y expulsión de aire (combinadas) en los sitios más elevados del perfil, en las zonas sensiblemente planas a distancias entre 400m y 800m. Lo anterior es para eliminar el aire presente en el agua y permitir la correcta operación de la línea durante el llenado y vaciado de lamisma. • En los puntos bajos del perfil deberán decolocarse válvulas dedesagüe. Pérdidas de energía por fricción en la conducción Para el cálculo de las pérdidas decarga por fricción, seutiliza lafórmula de Darcy- Weisback: h = × × 2 Ec 1.13

donde: hf =perdidas de energía por fricción en metro dela columna de agua. F = coeficiente de pérdidas por fricción. L= longitud de la tubería en metros. V =velocidad media del flujo en m/s. D=diámetro interior de la tubería en m. G=aceleración de la gravedad= 9.81m/ . La ecuaciónde diseño para conductos con flujo libre (ala presión atmosférica) ha sido la ecuación deManning: = ×( × × ) Ec 1.14 donde: Q =caudal (

/ ) A = área dela secciónde flujo . R =radio hidráulico (área/perímetro mojado (m)) S = pendiente de latubería (adimensional). n = coeficientede rugosidad de Manning Pérdidas secundarias o menores Se emplea la siguiente fórmula deManning parael cálculo de la velocidad entuberías llenas. = 0.397 ×

× Ec1.15 donde: V=velocidadmedia del flujo en m/s. S = pendiente de latubería (adimensional). n = coeficientede rugosidad de Manning D=diámetro interior de la tubería en m Tabla1.9: Velocidades permisibles según el tipo de material de la tubería. Norma Perú (2004)

Cálculo deldiámetro delatubería. Para la obtención del diámetro en metros de la fórmula de Manning. = 3.208! ! / " /# Ec 1.16 Donde: Q =caudal (

/ ) D=diámetro interior de la tubería en m S = pendiente de latubería (adimensional). n = coeficientede rugosidad de Manning Procedimiento de cálculo de lalíneade conducción por bombeo Para el cálculo de la línea de conducciónse deben de seguir los siguientes pasos: Partiendo del trazo y perfil de la línea de conducción, se deberán definir las longitudes de cada tramo y los desniveles de la línea, pudiendo determinar así la carga estática total a vencer. • Determinar el gastoque aporta lafuentede abastecimiento. • Determinar el Gasto Demandado por día que será igual al Gasto Máximo Diario por 24 horas. $= $ ×24 h&'( Ec 1.17 • Determinar el Gasto de entrada ) al tanque de regulación, que será igual al gasto demandado entre el número de horas quese bombea al día. )= $ *&.h&'( $) +& +)& ,&' $-( Ec 1.18

)= donde: Qe=gasto de entrada en l/s. Qd=gasto de diseño en l/s. • Calcular el diámetrode la tubería de conducción con el gasto de entrada (Qe) con alguna de las fórmulas deManning. • Calcular las pérdidas por fricción y si se considera necesario, las pérdidas secundarias o menores. • Hacer varias alternativas con diámetros comerciales menores y mayores al calculado volviendo acalcular las pérdidas por fricción y elegir el diámetro más conveniente. • Revisar la velocidad de lalínea que estédentro de los parámetros permitidos. 1.4.2. TANQUE DE REGULACIÓN La regularización tiene por objetolograr la transformación de unrégimen de aportaciones (de la conducción) que normalmente es constante, en un régimen de consumos o demandas (de la red de distribución) que siempre es variable. El tanque de regularización debe de proporcionar un servicio eficiente bajo normas estrictas de higiene y seguridad, procurando que su costo de inversión y mantenimiento sea mínimo. Adicionalmente a lacapacidad deregulación, se puedecontar con un volumenpara alimentar la red de distribución en condiciones de emergencia(incendios, desperfectos enla captación o en la conducción). Este volumen adicional debe de justificarse en aspectos técnicos y financieros,y se define como el volumen de almacenamiento. En el cálculode la capacidad de los tanques se debe deconsiderar tanto el número dehoras de alimentación o bombeo como su horario. Cuando se modifique el horario debombeo a un periodomenor de 24 horas se debe de cambiar el gasto de diseño de la fuente de abastecimiento y conducción, incrementándolo proporcionalmente a la reduccióndel tiempo de bombeo, segúnla siguiente expresión: ./ 01 = 2 34567 ×.8/ 01 Ec1.19 donde: Qe=gasto de entrada al tanque enl/s.

Qd=gasto demandado en l/s. QMd=gasto maximo diario en l/s. Tb=tiempo de bombeo en horas/día. 1.6.1. Volumen deltanque Con el régimen de demandas anterior podemos establecer que el volumen útil del tanque se calcula aplicando la siguiente fórmula: 06 9:;= 8/ · 3600·> Ec1.20 Donde: Vtanque=volumen útil del tanque en m3 Qmd=gasto máximo diario en m3 /s 3600=valor para convertirde m3 /sa m3 F=valor obtenido para de calcular el Máximo déficit +Máximo superávitdividido entre100 para convertirlo de porcentaje aunidad. Se obtiene la suma del Máximo déficit y el Máximo superávit en valor absoluto de los valores anteriores convertido de porcentaje a unidad, aplicando este factor al gasto máximo diario convertido am3, seobtieneel volumen útil del tanque deregulación en m3. En caso deconsiderar un volumen adicional, estetanque también seráde almacenamiento. Tabla 1.10 Valor de “F” para distintos horarios de bombeo. Determinando el período de bombeo que abastecerá al tanquede regulación, se podrá conocer el valor del Máximo déficit y del Máximo superávit para determinar el volumen más conveniente del tanque,siendo el óptimo, la suma en valor absoluto de los dos valores anteriores y el mínimo el valor delMáximo déficit.

Un sistema de abasto típico puede estar compuesto por una estación de bombeo, una conductora,un tanque y lared dedistribución. Eneste caso todos los elementos que anteceden al tanque debe de diseñarse para el Qmaxdiario, el que, dicho sea, es menor que Qmaxhorario. Esto permite ahorrar el costo de estas instalaciones, pues esta son de menos capacidad que si se diseñaran para el Qmaxhorario. Esto es posible por la función compensadora de los caudales que tiene el tanque, que se denominará compensador, ya que compensa la irregularidad en el consumo dela población. Es decir, cuando la población demanda o consume menos del Qmaxdiario el tanque se está llenando, y cuando la población consume más, el tanque se empieza a vaciar y asíse produce unciclo durantetodos los días del año.Los tanques sedebenubicar enlugares altos para poder garantizar la entrega por gravedad a la red. Todos los elementos aguas abajo del tanque compensador deben de diseñarse para el Qmaxhorario, ya que este es el caudal que garantiza la demanda de la hora de máximo consumo. (CONAGUA (2003)) 1.4.3 Redes de distribución La red de distribución es el conjunto de tuberías,accesorios y estructuras queconducen elagua potable desde los tanques de regulación (y almacenamiento) o desde el punto de conexión con alguna red ya existente hasta las tomas de los edificios o hidrantes públicos. De acuerdoa su función, la red de distribución puede dividirse en red primariay red secundaria. A la tubería que conduce el agua desde el tanque de regulación hasta el punto donde se inicia la distribución se le denomina línea de alimentación y se le considera como parte de la red primaria, sujetándose a los mismos criterios de diseño que la red de distribución en general. La red de distribución se diseña conel Gasto Máximo Horario (QMh). Las redes de distribución (Saldariaga 1998) de agua potable se pueden dividir, en función de la morfología de las mismas, en dos grandes tipos: • Redes arborescentes: sin ningún circuito cerrado o, dicho de otro modo, donde el agua tan sólo puede circular enun único sentido. • Redes malladas: con circuitos cerrados o, dicho deotro modo, donde el agua puede realizar como mínimo dos trayectos distintos para servir cada puntode consumo. Este es el que más se asemeja al trazadoactual de la universidad.

1.4.3.1 Formas de distribución Por gravedad. El agua dela fuente de abastecimiento se bombea hasta un tanque deregulación localizado en algúnpunto elevado del terreno quepueda proporcionar la suficiente presión, para de ahí ser distribuida por gravedad a través dela línea de alimentación. Éste es el método más convenientede operación, debiéndose deutilizar siempre que se disponga de cotas de terreno elevadas con un tanque superficial o en terrenos planos con un tanque elevado que nos proporcionela carga hidráulica requerida. Porbombeo directo alared apartir deun tanque centralde almacenamiento.Éstesistema de operación, consiste en el abastecimiento directo a la red a través de un equipo de bombeo quegarantice la carga hidráulica adecuada para el suministro en los puntos cercanos al tanque que no presenten desnivel con respecto a la ubicación del mismo, considerando equipos de bombeo con variadores de velocidad para generar parámetros de presión constante en la red y gasto de acuerdo ala demanda que se presentaduranteel día. En la UCLV la distribución se realiza mediante el bombeo desdeun tanque de regulación debido a que el tanque elevado nofunciona. Se conoceque las bombas tienen un caudal de 48 l/s, y se bombea 3 veces aldía durante 6 horas. Albert (2014) 1.4.3.2. Criterio del cálculo hidráulico. Cuando la operación de lared es apresión y los gastos que circulan ensus tuberías no cambian conel tiempo, se tiene el caso deflujo permanente y corresponde a una red estática, que es el casoque seconsiderará para el cálculo de las redes dedistribución (Auli 1990). Las siguientes reglas se deben deconsiderar en el cálculo de redes: • La pérdida decarga en un conductovaría como una potencia del gasto. • La suma algebraica de todos los gastos de entraday salidaen cualquier unión delos tubos es igual a cero. • La suma algebraica de todas las pérdidas de carga entre dos puntos cualesquiera, es la misma por cualquier ruta. • La suma algebraica detodas las pérdidas decargaalrededor de uncircuito, es igual a cero. Existen diferentes procedimientos de cálculo, entre los que se encuentra el método de Hardy Cross (Mayol (1981)), por ser el más práctico para la solución de las redes de los fraccionamientos, los pasos a seguir son:

J L 1. Definir el material a emplear para la tubería y sus características. 2. Determinar el coeficiente de fricciónde la tubería deacuerdo al tipo de material. 3. Definir el tipo de la red: primaria o secundaria. 4. Identificar todos los cruceros de la red, numerándolos en forma consecutiva. 5. Calcular la longitud propia, tributaria y acumulada de la línea de distribución, así como la longitud total. 6. Calcular el gasto inicial ( ) para la longitud acumulada de la línea, en cada tramo proporcional ala longitud de la tubería. = .?@·A4 BC0:/ 6D:8:E/6 E4 BC0:/ 0406E /; E6 Eí ;6 Ec 1.21 7. Determinar el sentido del flujo del agua, dándole por costumbre el signo “+” a los flujos en el sentido del reloj y “–“alos desentidoopuesto. 8. Corregir el gasto inicial afectándolo con el signo correspondiente al flujo. 9. Suponer un diámetro para cada tramo de la línea, preferentemente un diámetro comercial. 10. El gastoen cada conexión es igual a la sumade las salidas de ella, normalmente esto no se logra enla primera aproximación, debiéndose proceder a hacer nuevos tanteos. 11. Calcular las pérdidas por fricción hf de las tuberías correspondientes a la longitudpropia de la misma, las cuales tendrán el mismosigno del gasto inicial yaafectado por el signo del flujo, con la fórmula de Manning. hG = H · · = I. · ·A·. K Ec 1.22 Donde: hf=pérdida por fricciónen metros de la columna de agua. L= longitud de la tubería en m. = gasto inicial en / . n= coeficientede rugosidad. D =diámetro de la tubería en m. 12. Hacer lasumaalgebraica de todas las pérdidas por fricción y determinando asícon un valor igual, pero de signo contrariola carga necesaria para vencer las pérdidas por fricción. -?hG Ec 1.23

@O ? 13. Obtener la relación entrelas pérdidas de cadatramocon el gastoinicial yaafectado delsigno del flujo. Este valor es absoluto y por lo tantodeberáser siempre positivo,haciendo la suma total correspondiente. O ±. Ec 1.24 14. Se calcula la corrección del gasto haciendo la siguiente relación: ? C = -? 3O R Ec 1.25 15. Esta corrección debeser la misma para la misma red en análisis. 16. Se calcula un nuevo gasto : =± +? Ec 1.26 17. Con el nuevo se calculan las nuevas pérdidas . 18. Se realiza lasuma de las pérdidas consigno“-” y consigno“+”, debiendoser próxima acero, en caso de no serlo, el proyectista deberá de determinar si es necesario repetir el procedimiento calculando unnuevo ajuste de gasto, repitiendo desde el punto No. 13. 19. Partiendo de la cota del terreno y la cota piezométrica en el punto inicial de la red de distribución, secalculan las siguientes cotas piezométricas,restándolea lacotapiezométrica anterior la pérdida por friccióndel tramo en análisis. T&U( V-)W& )U'-X( 2 =T&U( ,-)W& )U'-X( 1- hG( [ ) Ec 1.27 20. La carga disponible en cada nodo o crucero se obtiene restando a la cota piezométrica la cota del terreno. Carga Disponible = Cota piezométrica – Cota de Terreno Ec 1.28 21. Por último, deberán de verificarse las velocidades en cada tramo y compararlas con las máximas permisibles (ver tabla 1.9),si estánexcedidas, deberá demodificarse el diámetro. = I. ]^ ·J L ·_ L Ec 1.29

Donde: V=velocidaddel flujo en eltubo enm/s. D=diámetro de la tubería en m. S=pérdida de la carga unitaria m/m. n=coeficiente de rugosidad. Procedimientoparaelcálculo de redesabiertas(Catedrade Mecánicadelos Fluidos (1987)) 1. Se haceel trazode la red a partir del tanque. 2. Se obtiene el coeficientede gasto por metro de tubería o gasto específico. 3. Se marcaen unplano topográficola que serála línea principal de distribución a partir del tanque. 4. Se calculan los gastos principales y secundarios. 5. Se calculan parala línea principal los gastos acumulados delfinal dela red,hasta el inicio de ella. 6. Se estiman los diámetros. 7. Se determinan las pérdidas decarga por friccióna partir del tanque para cada tramo de la línea principal. 8. Se determinan las elevaciones piezométricas y las cargas depresión en cada crucero. 9. Se determina eldiámetro de las tuberías secundarias. 10. Se termina la numeración de los cruceros faltantes y seefectúasudiseño, colocando las válvulas de seccionamiento en formaadecuada. 1.4.3.3. Recomendaciones. Presión, velocidad, válvulas La Norma Mexicana (1994) propone que las redes primarias o el circuito se dividen en dos ramales y el diámetro mínimo a utilizar es de 100 mm (4 pulg.) Aunque en zonas rurales se acepta hasta 50 mm(2 pulg.). Paralas redes secundarias su diámetro estará comprendido entre 50 y 60 mm y no secalculan hidráulicamente, sutrazo puede ser biplanar o monoplanar. Tabla 1.21.Velocidades maximas permisibles según la Norma Mexicana. (2004) La Norma Peruana (2012) propone:

– Diámetro mínimo: El diámetro mínimo de las tuberías principales será de 75 mm para uso de vivienday de 150 mm de diámetro para uso industrial. – En casos excepcionales, debidamente fundamentados, podrá aceptarse tramos de tuberías de 50 mm de diámetro, con una longitud máxima de 100 msi son alimentados por un solo extremo o de 200 m si son alimentados por los dos extremos, siempre que la tubería de alimentación sea de diámetro mayor y dichos tramos se localicen en los límites inferiores de las zonas de presión. – El valor mínimo del diámetro efectivo en un ramal distribuidor de agua será el determinado por el cálculo hidráulico. Cuando la fuente de abastecimiento es agua subterránea, se adoptarácomo diámetro nominal mínimo de38 mm o su equivalente. – La velocidad máxima será de3 m/s. – En casos justificados se aceptará unavelocidad máxima de5 m/s. – La presión estática no será mayor de 50 men cualquier punto de la red. En condiciones de demanda máxima horaria, la presión dinámica no será menor de 10m. Ubicación y recubrimiento de tuberías. – Se fijarán las secciones transversales de las calles del proyecto, siendo necesario analizar el trazode las tuberías nuevas con respectoa otros servicios existentes y/o proyectos. – En todos los casos lastuberías de agua potable seubicarán, respecto a las redeseléctricas, de telefonía, conductos de gas u otros, en forma talque garanticeuna instalación segura. – En las calles de 20 mde ancho o menos, las tuberías principales se proyectarán a un lado de la calzada como mínimo a 1.20 mdel límite de propiedad y de ser posible en el lado de mayor altura, a menos que se justifique la instalación de 2 líneas paralelas (NC1021 del 2014). -En las calles y avenidas de más de 20 m deancho se proyectaráuna línea a cada lado de la calzada cuando no se consideren ramales de distribución. – El ramal distribuidor de agua se ubicará en la vereda, paralelo al frente del lote, a una distancia máxima de 1.20 m. desde el límite de propiedad hasta el eje del ramal distribuidor. – La distancia mínima entre los planos verticales tangentes más próximos de una tubería principal de agua potable y una tubería principal de aguas residuales, instaladas paralelamente, será de 2 m, medido horizontalmente. – La mínima distancia libre horizontal medida entre ramales distribuidores y ramales colectores,entre ramal distribuidor y tubería principal deagua oalcantarillado, entre ramal

colector y tubería principalde aguao alcantarillado, ubicados paralelamente, será de 0.20 m. Dicha distancia debe medirse entre los planos tangentes más próximos de las tuberías. – Envías vehiculares, las tuberías principales deagua potable deben proyectarse con un recubrimiento mínimo de 1 msobre la clave del tubo. Recubrimientos menores, se deben justificar. En zonas sin acceso vehicular el recubrimiento mínimo seráde 0.30m. – El recubrimiento mínimo medido a partir de la clave del tubo para un ramal distribuidor deagua será de 0.30 m. Válvulas (NC 176) – La red dedistribución estará provista de válvulas de interrupción quepermitan aislar sectores de redes no mayores de 500 mde longitud. – Se proyectaránválvulas de interrupción en todas las derivaciones para ampliaciones. – Las válvulas deberán ubicarse, en principio, a 4 m de la esquina o su proyección entre los límites dela calzada y la vereda. – Las válvulas utilizadas tipo reductoras de presión, aire y otras, deberán ser instaladas en cámaras adecuadas, seguras y con elementos que permitan su fácil operación y mantenimiento. – Toda válvula de interrupción deberá ser instalada en un alojamiento para su aislamiento, protección y operación. – Deberá evitarse los “puntos muertos” en la red, de no ser posible, en aquellos de cotas más bajas de la red de distribución. – El ramal distribuidor de agua deberá contar con válvula de interrupción después del empalme ala tubería principal. 1.5 Principales problemáticas con elabasto de agua en laUCLV A continuación, se representa esquemáticamente la red de abasto de agua en la UCLV destacándose queel actual tanqueelevado no funcionapor lo que es necesario bombear elagua desde el tanque dealmacenamiento con 2 bombas de 48 l/s las cuales funcionan 3 veces al día en periodo alternos de 2 horas (6horas totales).

Figura 1.5 Esquema del sistema deabastode la UCLV. La potabilizadora de la UCLV presenta un alto grado de deterioro, si bien se requiere un nuevo diseño que garantice cumplir con las demandas, pudiera ser más eficiente su funcionamiento remplazando el equipamiento existente y dando mantenimiento a los sedimentadores. Albert (2014) haceun profundoanálisis dela situaciónde dichaplanta ypropone ungrupo desoluciones relacionadas fundamentalmente con la calidad química del agua. En visita técnica al lugar se comprobó que la cloración del agua se realiza de manera arbitraria y el alto grado de deterioro de la instalación.

Figura 1.6: Planta de tratamiento de laUCLV. En el capítulo 3 de esta investigación se determinará la demanda de agua de la UCLV teniendo en cuenta las instalaciones que funcionanactualmente segúnlaNC 53-91, a partir de los criterios propuestos por Albert (2014), en el cual se plantea que es insuficiente el volumen del tanque cisterna. En el área deCiencias Agropecuarias sepresentauna problemática conlos edificios debecados. Es común que el agua no llegue al segundo y tercer nivel de dichos edificios o que de manera muy rápida se vacíen los tanques de almacenamiento colocados en la cubierta. El sistema de abasto a estos edificios está formado poruna cisterna deaproximadamente130m3 queabastece a 2 edificios con 600 becados. Similar al bombeo de zonacentral de la UCLV, se realiza el mismo 3 veces al día por período de 2 horas (6horas total). Además, a pesar deconsultar diferentes fuentes no existe constancia sobre el trazado de la red interna de abasto deaguaen la UCLV.Enconsultas conespecialistas y personal conexperiencia se conoce algunos trazados, asícomo laubicación de las válvulas y otros accesorios. Todoslos entrevistados coinciden en la existencia de unared principal construida simultáneamente con la universidad(década del 50 del pasado siglo) y una extensión de la misma en el año 70hacia los Camilitos hoy zona de Ciencias Agropecuarias. Esta redes clasificadacomo una red ramificada de lacual se conecta una red secundaria que llega a los principales edificios. No existe ninguna referencia sobre las redes internas en edificaciones u otras redes construidas temporalmente. A partir de los trabajos realizados por GeoCuba y en intercambio con los especialistas se puede estimar el trazado de la red interna de la UCLV, de manera que en futuros mantenimientos o nuevas inversiones se cuenta conuna herramienta de ayuda aproyectista.

1.6 Los sistemas de información Geográfica Un Sistema de Información Geográfica (SIG o GIS, en su acrónimo inglés [Geographic Information System]) es una integración organizada de hardware, software y datos geográficos diseñada para capturar, almacenar, manipular, analizar y desplegar en todas sus formas la información geográficamente referenciada con el fin de resolver problemas complejos de planificación y de gestión. FUNCIONAMIENTO DE UN SIG El SIG funciona como una base de datos con información geográfica (datos alfanuméricos) que se encuentra asociada por un identificador común a los objetos gráficos de un mapa digital. De estaforma,señalando un objeto se conocen sus atributos e, inversamente, preguntando por un registro de la base de datos se puede saber su localización en la cartografía. (Bosque (2002), Cabrera (1997), Huxhold (2001). La razón fundamental para utilizar un SIG es la gestión de información espacial. El sistema permite separar la información en diferentes capas temáticas y las almacena independientemente, permitiendo trabajar con ellas de manera rápida y sencilla, y facilitando al profesional la posibilidad de relacionar la información existente a través de la topología de los objetos, conel finde generar otranueva que nopodríamos obtener deotra forma (Barredo1997). Un SIG no es simplemente un sistema decómputo para hacer mapas, aunquesi puede crearlos a diferentes escalas, en diferentes proyecciones y con diferentes colores, pero más que eso un SIG es una herramienta de análisis cuya ventaja principal es que permite identificar la relación espacial entre elementos de un mapa. No es un almacén de mapas en cualquier sentido convencional, ni almacenaimágenes o vistas de un área geográfica, más bienun SIG almacena los datos desde los cuales puede crearse la vista deseada, asícomo obtener un dibujo para un propósito particular. Muchos programas de cómputo usados ampliamente, tales como hojas de cálculo (Lotus 1, 2, 3, Excel), paquetes estadísticos (SAS, Minitab), o paquetes de dibujo técnico (AUTOCAD) pueden manejar datos geográficos o espaciales simples,pero no se consideran comoun SIG.

Un SIG no guarda mapas o imágenes, guarda bases de datos. El concepto de bases de datos es esencialpara unSIG yaque es la diferencia principal entre un SIG y un dibujo técnico simple o sistema de cómputo para hacer mapas, los cuales solamenteproducen buena calidad gráfica. Cualquier SIG tiene incluido un sistema para manejo debase de datos. Las principales cuestiones quepuede resolver unSistemade Información Geográfica,ordenadas de menor amayor complejidad, son: Localización: preguntar por las características de un lugar concreto. Condición:el cumplimiento o no de unas condiciones impuestas al sistema. Tendencia: comparación entre situaciones temporales o espaciales distintas de alguna característica. Rutas: cálculo de rutas óptimas entre dos o más puntos. Pautas: detecciónde pautas espaciales. Modelos: generación de modelos a partir de fenómenos o actuaciones simuladas. Por ser tanversátiles, el campo deaplicación delos Sistemas deInformación Geográfica es muy amplio, pudiendo utilizarse en la mayoría de las actividades con un componente espacial. La profunda revolución que han provocadolas nuevas tecnologías ha incidido de manera decisiva en su evolución. LA CREACIÓN DE DATOS Las modernas tecnologías SIG trabajan con información digital, para la cual existen varios métodos utilizados en la creaciónde datos digitales. El métodomás utilizado es la digitalización, donde a partir de un mapaimpresoo con información tomada encampo se transfiere aun medio digital por el empleo de un programa de Diseño Asistido por Ordenador (DAO o CAD) con capacidades de georreferenciación. Dadala amplia disponibilidad de imágenes orto-rectificadas (tanto de satélite y como aéreas), la digitalización por esta vía se está convirtiendo en la principal fuente de extracción de datos geográficos. Esta forma dedigitalización implica la búsqueda de datos geográficos directamente en las imágenes aéreas en lugar del método tradicional de la localización de formas geográficas sobre un tablero dedigitalización. LA REPRESENTACIÓN DE LOSDATOS Los datos SIG representan los objetos del mundo real (carreteras, el uso del suelo, altitudes). Los objetos del mundo realse pueden dividir en dos abstracciones: objetos discretos (una casa)

y continuos (cantidad de lluvia caída, una elevación). Existen dos formas de almacenar los datos en un SIG: raster y vectorial (Lantada 2005, Sánchez 2012). Los SIG que se centran en el manejo de datos en formato vectorial son más populares en el mercado. Noobstante, los SIG raster sonmuy utilizados en estudios que requieran la generación de capas continuas, necesarias en fenómenos no discretos; también en estudios medioambientales donde no se requiere una excesiva precisión espacial (contaminación atmosférica, distribución de temperaturas, localización de especies marinas, análisis geológicos, etc.). Software SIG existentes en elmercado Es muy común quelos SIGy los programas de cómputo SIG sean confundidos,por lo que resulta importante recordar que este último es sólo uno de los componentes deun verdadero SIG. Ahora bien, para que el manejo de información de un SIG tenga los mejores resultados, es importante elegir el programa de computo SIG que mejor seajustea las necesidades deun problema. Existen en el mercado muchos programas de cómputo especializados en SIG,cada uno de ellos con características y funciones propias, pero en general todos los programas manejan información tanto en formato vectorial como raster. No hay ningún líder entre los programas, algunos tienen muy buenas herramientas para el tratamiento de imágenes de satélite y otras incluyen un ampliorango de módulos para el modelado de evaluaciones estadísticas. Durante el manejo de información generalmente se requiere la participación de más de uno de estos según las características de los datos y aplicaciones. A continuación, se mencionan algunos de los programas de cómputo SIG que son más usuales en el manejo de información espacial. · ArcView: Es un programa de consulta y visualización de mapas vectoriales y raster. Una de sus grandes ventajas es su potente motor de base de datos elcual permite añadir categorías a los atributos a medida quese visualiza el mapa en pantalla. · ArcGIS: Es la nueva generación de SIG que viene a integrar bajo una misma arquitectura los programas ArcView, ArcEditor y ArcInfo, con multitud de herramientas de análisis consulta y presentación de datos mejorando la toma de decisiones. · MapInfo:Está enfocadoal mercado degestiónde mapas aplicado a las empresas, permitiendo realizar análisis sofisticados y detallados para tomar decisiones más acertadas.

En el entorno de una empresagestora deagua, un SIGqueda definido por las cincocomponentes básicas, según AGBAR (2004),como: · Datos: Una información gráfica de la cartografía de base del ámbito territorial de las redes. La información gráfica de la red de Distribución y/o de Saneamiento y la información alfanumérica descriptiva,funcional y degestión asociada a las dos redes perfectamente relacionada con ella. El aspecto diferenciador más significativo de un SIG conrespecto a otro sistema gráfico asistido por ordenador es de hechola coexistenciadeunos datosgráficos y deunos datos alfanuméricos asociados, que confieren al sistema propiedades de gestión de base de datos más que de representación gráfica. · Programas: Un programa de Sistemas de Información Geográfica capaz de gestionar y satisfacer las necesidades y requerimientos concretos del servicio en todos sus aspectos funcionales tal y como han sido descritos anteriormente. Este programa debe estar sólidamente apoyado en un programa Gestor de Base de Datos, y en un programa de CAD. A ellos deben sumarse los programas para el desarrollode los Modelos Matemáticos de Simulación para cada unade las redes y los desarrollospropios sobre cadauno detodos estos programas parafacilitar las labores específicas dela gestión de redes desuministro y saneamiento deagua. · Equipamiento informático: Un dimensionamiento de los ordenadores personales y servidores de datos y programas que garanticen que toda esta información puedaser tratada sin perjuicio de funcionalidad. Métodos: Una definición de los circuitos de información dentro de la organización y de los circuitos de relación con empresas externas, (de servicios, administraciones públicas) que faciliten la entrada, el mantenimiento y la consulta de los datos disponibles y relativos a la red, así como suactualización. · Recursos Humanos: Todas las personas de los distintos ámbitos dela organizacióna los que paulatinamente seaposiblehacer accesiblela información geográfica, deben estar sensibilizados en la importancia corporativa que tiene el cumplimiento de los circuitos de información establecidos para el mayor rendimiento y servicio de la empresa. Funciones y limitaciones de los Sistemas de Información Geográfica (Monson 2015). Un SIG tiene diferentes funciones generales, como son: 1. Funciones para la entrada de información. 2. Funciones para la salida / representación cartográficay gráfica de lainformación. 3. Funciones para la gestión de lainformación.

4. Funciones analíticas. A partir de las mismas los SIG cumplen diferentes funcionalidades que se explican con gran claridad por Colectivo de Autores (2005). • Construir datos geográficos: mediantedatos geométricos existentesen CAD, ocapturándolos por digitalización o vectorización de imágenes, el sistema permite depurarlos y estructurarlos topológicamente, asociándolos con bases dedatos alfanuméricas. De estaforma seobtienen datos espaciales listos para suuso enel análisis. • Modelado cartográfico:creación de nuevos mapas apartir de mapas existentes: combinando atributos del terreno como pendiente, vegetación, tipo de suelo, etc. Mediante un modelo matemático sepuedencrear nuevas variables. • El SIG permite analizar los mapas estructurados en combinación con bases de datos asociadas. Se pueden interrogar para seleccionar los datos de interés, ver los resultados interactivamente eligiendo la simbología en función de los atributos asociados y producir cartografía de calidad. Se pueden realizar además otros análisis con los SIG, como son: análisis sobre la vecindad (superficie de densidad, análisis de proximidad, filtrado de mapas, entre otros), análisis sobre Modelos Digitales de Elevación (M.D.E), reclasificación y superposición de mapas, generación de áreas deinfluencia. A las limitaciones que tieneun SIGse refiere Colectivo de Autores (2005) planteando que un SIG es un gran sistema informático cuya implantación en una organización es siempre gradual y costosa. Se requiere siempre la adecuación del sistema al trabajo requerido, mediante programación y recopilación de los datos necesarios. Según Moreno (2002),el costo y calidad de las cartografías digitales disponibles es unalimitación ya que las empresas que ofrecen cartografías digitales poseen permisos especiales para su comercialización que les permite imponer los precios. El uso del softw are también constituye un problema enun país bloqueado como Cuba. 1.6.1 Los SIG aplicados en la ingeniería hidráulica Unode los mayores retos a que se enfrenta la ingeniería hidráulica enla actualidad es sin duda el tema del agua. Por una parte, atendiendo los beneficios de sucorrecto aprovechamiento y por otrointentando dar solución a los incontables daños queesta genera. La ingeniería hidráulica es la disciplinaresponsable decrear las obras de infraestructura quesatisfagan las necesidadesde una población. Para ello hace uso de sus conocimientos e ingenio aplicando todas las

herramientas y tecnologías disponibles. En general existen métodos matemáticos tradicionales empleados en resolver dichas problemáticas. Sin embargo, en los últimos años, las tecnologías SIG están siendo aprovechadas para el diseño, ejecución, operación y mantenimiento de las diferentes obras hidráulicas. La mayor parte de las aplicaciones hidrológicas llevadas a cabo en los SIG sonevaluaciones de riesgos naturales y estudios de localización. En ambos casos existe cierta similitud, pero en realidad disponen de un tratamiento diferente. En los estudios de localización de actividades, las condiciones para la implantación de SIG son conocidas, mostrando grandes ventajas para sondear con rapidez zonas apropiadas o desfavorables parala ejecución de alguna actividad. Encambio, en las evaluaciones de riesgos naturales, se ejecutan operadores aritméticos más complejos. Dentro delos trabajos consultados de aplicación en laingeniería hidráulica podemos citar a: Valls,J. (2002), Amorós, M. N. (2012), Triviño, A. (2001), Belmonte (2006) Durante la última década se ha producido la consolidación de los sistemas de información geográfica, como herramienta básica para la gestión espacial de las redes y de las relaciones queen el territorio se establecen entre los distintos elementos que las componen. Es por ello que en las empresas dedicadas a la actividad de abastecimiento y saneamiento de agua se ha difundido ampliamente suuso. En el presente trabajo de diploma se pretende confeccionar un SIG cuya principal información estará relacionada con: • Planta general de la Universidad (sus edificaciones) y sus características generales • Sistema deabastode agua y sus propiedades • Trazado de redes hidráulicas principales y sus características El softw arepropuesto es el MapInfo por sus potencialidades y el uso en nuestra institución. 1.7 Conclusiones parciales. Después de realizada la búsqueda bibliográfica sobre los sistemas de abasto, y la situación actual en laUCLV arribamos a las siguientes conclusiones parciales: 1. Existen diferentes valores de dotaciónsegúnlas normativas consultadas, 2. Existe coincidencia en el procedimiento para el diseño de sistemas de basto de agua, diferenciándoseen valores permisibles que asume cada norma, 3. Existe un marcado deterioro en el sistema de abasto de agua en la UCLV, comprobado con la opinión de especialistas y no existe conocimientodel trazado de las redes hidráulicas en la UCLV.

4. El empleo de los sistemas de información geográfica es una herramienta que posibilita la toma de decisiones para el mantenimiento de las redes hidráulicas y el sistema de abasto, abalado por lo diferentes ejemplos consultados en la bibliografía nacional einternacional.

Capítulo 2

Capítulo 2: Levantamiento de las partescomponentes delsistemade abasto deaguaen la UCLV. 2.1 Introducción En este capítulo sepresentan los resultados de las inspecciones a las diferentes componentes del sistema de abasto de agua de la UCLV. Como parte de este proceso, se entrevistó a diferentes especialistas y responsables paraconocer las característicasdelsistemarelacionadas conlas capacidades de reserva de agua instalada, así como el trazadode la red, sudiámetro y otras características. A continuación, se propone una metodología para la confección de un Sistema de Información Geográfica (SIG) a partir de los datos existentes y enfocados a incluir las redes principales, secundarias e instalaciones de la UCLV, con el objetivo de exportar estos resultados a otros softwares para la modelación de la red hidráulica. Finalmente se explican las características principales delsoftw are EPANET, elcual será utilizado en el capítulo 3 para modelar el comportamiento de la red bajo diferentes condiciones de trabajo y que permita la realización de futuros cálculos en la medida de un mejor conocimiento de los elementos del sistema. 2.2 Sistema de abasto de aguade la UCLV. El sistema de abasto de agua de la UCLV está conformado por: (1) Planta Potabilizadora, (2) Estación de bombeo, (3) Cisterna – tanque elevado y (4) redes de distribución, principales y secundarias. Del análisis de la información disponible enla UCLV se pudo conocer que la planta potabilizadora se encuentra en funcionamiento desde ladécadadel 50y que fue construida para el tratamiento de agua proveniente del río Ochoita con un flujo de 16 L/s. El flujo de alimentación a la planta (55 L/s) es tres veces superior al flujo de diseño(16 L/s), lo que provoca una disminución en la efectividadde los equipos.

Figura 2.1: Planta Potabilizadora El conjunto cisternatanque elevado fue construido en ladécada de 1970 y tiene una capacidad de 1225 m3,en la actualidad el tanque elevado no funciona y secuenta con 2 bombas de 48 l/s de caudal. Se establece unsistema de bombeo de 6 horas al día distribuido entres frecuencias de 2horas (6.00 am – 8.00am, 11.00 am– 1.00pm y 6.00 pm – 8.00 pm). La red de distribución de la UCLV puede clasificarse como una red ramificada. El uso de redes ramificadas presenta dos ventajas principales: • Para datos de consumos conocidos, resultan de gran facilidad tanto el dimensionado como la optimización de la red. • Tiene menor longitud de tendido de conducciones y obras anexas, con el consiguiente ahorro en el costosobre las ramificadas. Por el contrario, sudiseñotiene algunos inconvenientes relevantes: • Riesgo de interrupción de suministros por roturas, o por intervención en la red (mantenimiento, ampliaciones, etc.). • Posibilidades de estancamiento del fluidoen los extremos de lalínea. • Diferencias de presión extrema entre alimentación y servicios. • Necesitan mayores diámetros para mantener pérdidas de presión moderadas y precisan de mayores espesores deconductos para soportar la presión interior con el consiguiente aumento del costode la red. En recorrido por el trazado de las redes de distribución se pueden destacar los siguientes aspectos: en la zona central de la UCLV la construcción data de la década del 50, las tuberías de la red principal son de hierro fundido de 300 mmde diámetro y la red secundaria de 100 mm de diámetro del mismo material. Existen un gran número de válvulas, las cuales no funcionan. Aunque enlos últimos años se hatrabajado en el mantenimientode las mismas presentan varios puntos con fuga de agua. La residencia estudiantil en la zona central data de 1965 al 1979,

manteniendo la misma tipología para las redes y destacándose la no existencia de tanques elevados ni cisternas en los mismos. La zona de la Facultad de Construcciones, planta CBQ y CQA son construcciones más modernas (1970 al 1990),dondela red secundaria es de acerode 75 mm de diámetro. En esta áreaexistencisternas y tanques elevados. Mención especial requieren las instalaciones deportivas, las cuales no serán objeto de estudio en este trabajo por el alto grado de deterioro de las mismas, además las piscinas cuando son llenadas de agua se capta directamente del río y se procede a su cloración. Una vez que las condiciones económicas lo permitan y se repare esta instalación, se requerirá de un mejoramiento total del sistema de abasto de agua, al aumentar la demanda de dichas instalaciones. Finalmente,la red de aguaen la zona de Ciencias Agropecuarias datadel año1970, cuando se construyó la escuela Militar “Camilos Cienfuegos”. En el año 2001 se ejecutó una planta potabilizadora de agua en el lugar, la cual solo funcionó 2 cursos, y que, aparejado con el no funcionamiento deltanque elevado, generó la construcción de cisternas en toda estazona para poder garantizar elsuministro de agua. Se pudocomprobar en el lugar la existencia de tuberías de varios diámetros de hierro fundido, así como la presencia de una nueva red para abastecer las cisternas y los edificiosdebecados (Ver Figura2.2).Sereconocepor trabajadoresdemuchos años de experiencia la existenciade varios puntos de fuga. En consulta con las autoridades universitarias se pudo conocer el volumen de las cisternas existentes en el centro. Tabla 2.1: Cisterna de Agropecuaria . Tabla 2.2: Cisternas del área central.