Análisis y modelación matemática de la red de distribución de agua potable de la ciudad de Macas, Morona Santiago, Ecuador

Abstract

[ES] El presente trabajo tiene como objetivo principal la realización del modelo matemático de la red de abastecimiento de agua de la ciudad de Macas, Morona Santiago, Ecuador; para posteriormente realizar un análisis actual de la red, evaluando las principales variables hidráulicas del sistema (presiones, caudales, velocidades, y pérdidas unitarias) con la finalidad de proponer mejoras al sistema capaces de optimizar el funcionamiento de la red, especialmente en lo que se refiere a las pérdidas de agua. Se parte de información proporcionada por el Departamento de Gestión de Agua Potable y Alcantarillado (DGAPA) del cantón Morona. Esta información corresponde básicamente a planos de la red en formato CAD, plano catastral y el catastro de usuarios del año 2017. Así como también, datos de caudales inyectados al sistema, valores de caudales a la salida de depósitos y presiones en ciertos puntos de la red. El método de asignación de consumos se lo plantea mediante el conteo de viviendas, esta metodología es factible debido a que la zona de estudio corresponde a la de una ciudad pequeña con una población estimada de 33,757 habitantes y con un total de 7,011 abonados. Se propone además, dentro del método de asignación de consumos, identificar y ubicar los grandes consumidores en los nodos correspondientes ya que se cuenta con un catastro detallado de los mismos (consumo y dirección), todo esto con la finalidad de aproximarse de la mejor forma a lo que sucede en la realidad. La esqueletización de la red se ha realizado mediante el uso y depuración de planos CAD en las que se encontraban datos de tuberías, longitudes y diámetros. Al carecer de información topográfica la misma ha sido obtenida de medios digitales y mediante el procesamiento de la ésta se ha llegado a la asignación de las distintas cotas en los nudos de la red. El modelo ha sido realizado mediante el software EPANET 2.0 el cual es de libre acceso y de amplia difusión. Las fugas se han modelado dentro del sistema como emisores, realizando procesos iterativos para ajustar el caudal medio medido a la salida de las plantas con el caudal simulado en el software. Para la fase de calibración se cuenta con valores de presión en cinco puntos de la ciudad, tomados durante un día, cada dos horas. La calibración ha sido realizada mediante la variación del factor de demanda (FD) que cuenta EPANET 2.0 dentro de sus opciones hidráulicas, procurando en todo momento que las presiones simuladas, así como los caudales registrados a la salida de los depósitos se asemejen en medida de lo posible a los reales. Una vez realizado el modelo se ha identificado que el principal problema son las sobrepresiones, las cuales están directamente ligadas a las fugas. Las propuestas de mejora se enfocan en reducir las mismas y poder así reducir también parte de las pérdidas reales del sistema. Al carecer de sectorización, se propone la creación de 14 sectores, aprovechando los niveles de terreno y la topología de la red. Mediante la reconexión, instalación de tramos nuevos de tubería y la instalación de 24 válvulas reductoras de presión se logra una reducción en las presiones del sistema, consiguiendo así que el 92.27% de los nodos se encuentren con presiones dentro del rango de 10 mca y 50 mca como lo estipula la normativa ecuatoriana. Estas acciones, permiten al final, que exista un ahorro económico de aproximadamente $ 122,650 dólares americanos.

[EN] The main objective of the present work is to carry out the mathematical model of the water supply network of the city of Macas, Morona Santiago, Ecuador; to later carry out a current analysis of the network, evaluating the main hydraulic variables of the system (pressures, flows, velocity, and unit losses) in order to propose improvements to the system capable of optimizing the operation of the network, especially with regard to water losses. This is based on information provided by the Department of Drinking Water and Sewerage Management (DGAPA) of the canton of Morona. This information basically corresponds to maps of the network in CAD format, a cadastral drawing and the cadastre of users for the year 2017. As well as data on flows injected into the system, flow values at the outlet of tanks and pressures at certain points of the network. The consumption allocation method is proposed by means of counting homes. This methodology is feasible because the study area corresponds to that of a small city with an estimated population of 33,757 inhabitants and a total of 7,011 customers. It is also proposed, within the consumption allocation method, to identify and locate the large consumers in the corresponding nodes since there is a detailed cadastre of them (consumption and address), all this with the purpose of approaching in the best way what happens in reality. The skeletonisation of the network has been carried out by using and debugging CAD drawings in which there was data on pipes, lengths and diameters. As there is no topographical information, it has been obtained from digital means and by processing it, the different levels have been assigned to the network nodes. The model has been made using EPANET 2.0 software, which is freely accessible and widely distributed. The leaks have been modelled within the system as emitters, carrying out iterative processes to adjust the average flow measured at the output of the plants with the flow simulated in the software. For the calibration phase, there are pressure values at five points in the city, taken during one day, every two hours. The calibration has been carried out by means of the variation of the demand factor (FD) that EPANET 2.0 counts within its hydraulic options, trying at all times that the simulated pressures, as well as the flows registered at the exit of the tanks are as similar as possible to the real ones. Once the model has been made, it has been identified that the main problem is overpressure, which is directly linked to leaks. The proposals for improvement are focused on reducing them and thus also reducing part of the real losses in the system. As there is no sectorization, the creation of 14 sectors is proposed, taking advantage of the land levels and the topology of the network. By reconnecting, installing new sections of piping and installing 24 pressure reducing valves, a reduction in the system pressures is achieved, so that 92.27% of the nodes are within the range of 10 mca and 50 mca as stipulated by Ecuadorian regulations. These actions, allow in the end, that there is an economic saving of approximately $ 122,650 USD.

[CA] El present treball té com a objectiu principal la realització del model matemàtic de la xarxa de proveïment d'aigua de la ciutat de Macas, Morona Santiago, Equador; per a posteriorment realitzar una anàlisi actual de la xarxa, avaluant les principals variables hidràuliques del sistema (pressions, cabals, velocitats, i pèrdues unitàries) amb la finalitat de proposar millores al sistema capaços d'optimitzar el funcionament de la xarxa, especialment pel que fa a les pèrdues d'aigua. Es parteix d'informació proporcionada pel Departament de Gestió d'Aigua Potable i Clavegueram (DGAPA) del cantó Morona. Aquesta informació correspon bàsicament a plans de la xarxa en format CAD, pla cadastral i el cadastre d'usuaris de l'any 2017. Així com també, dades de cabals injectats al sistema, valors de cabals a l'eixida de depòsits i pressions en certs punts de la xarxa. El mètode d'assignació de consums li ho planteja mitjançant el comptatge d'habitatges, aquesta metodologia és factible pel fet que la zona d'estudi correspon a la d'una ciutat xicoteta amb una població estimada de 33,757 habitants i amb un total de 7,011 abonats. Es proposa a més, dins del mètode d'assignació de consums, identificar i situar els grans consumidors en els nodes corresponents ja que es compta amb un cadastre detallat dels mateixos (consum i direcció), tot això amb la finalitat d'aproximar-se de la millor forma al que succeeix en la realitat. La la xarxa s'ha realitzat mitjançant l'ús i depuració de plans CAD en les quals es trobaven dades de canonades, longituds i diàmetres. En mancar d'informació topogràfica la mateixa ha sigut obtinguda de mitjans digitals i mitjançant el processament de l'aquesta s'ha arribat a l'assignació de les diferents cotes en els nusos de la xarxa. El model ha sigut realitzat mitjançant el programari EPANET 2.0 el qual és de lliure accés i d'àmplia difusió. Les fugides s'han modelat dins del sistema com a emissors, realitzant processos iteratius per a ajustar el cabal mitjà mesurat a l'eixida de les plantes amb el cabal simulat en el programari. Per a la fase de calibratge es compta amb valors de pressió en cinc punts de la ciutat, presos durant un dia, cada dues hores. El calibratge ha sigut realitzada mitjançant la variació del factor de demanda (FD) que compta EPANET 2.0 dins de les seues opcions hidràuliques, procurant en tot moment que les pressions simulades, així com els cabals registrats a l'eixida dels depòsits s'assemblen en mesura del possible als reals. Una vegada realitzat el model s'ha identificat que el principal problema són les sobrepressions, les quals estan directament lligades a les fugides. Les propostes de millora s'enfoquen a reduir les mateixes i poder així reduir també part de les pèrdues reals del sistema. En mancar de sectorització, es proposa la creació de 14 sectors, aprofitant els nivells de terreny i la topologia de la xarxa. Mitjançant la connexió, instal·lació de trams nous de canonada i la instal·lació de 24 vàlvules reductores de pressió s'aconsegueix una reducció en les pressions del sistema, aconseguint així que el 92.27% dels nodes es troben amb pressions dins del rang de 10 mca i 50 mca com ho estipula la normativa equatoriana. Aquestes accions, permeten al final, que existisca un estalvi econòmic d'aproximadament $ 122,650 dòlars americans.