Variaciones del caudal y consumos de agua relativos a

Mayo del 2000
INGENIERÍA HIDRÁULICA Y AMBIENTAL, VOL. XXIII, No. 1, 2002
Variaciones del caudal y consumos de agua
relativos a una cama en el hospital
"Abel Santamaría" en Pinar del Río
INTRODUCCIÓN
Ocasionalmente se producen fallos importantes en los
dispositivos destinados a la recolección, evacuación y
tratamiento de residuales líquidos tanto en núcleos
poblacionales como industrias motivados por una deficiente
estimación de los caudales de diseño de las obras.
La carencia de datos fiables sobre los consumos de
agua potable y de los porcentajes retornados al
alcantarillado puede originar el sobredimensionamiento de
las obras, aumentando el presupuesto de las mismas, el
sobreconsumo de materiales en general y la sedimentación
de partículas tanto en emisarios como en órganos de
tratamiento primario, demandando un aumento de la
frecuencia de las operaciones de mantenimiento o
provocando obstrucciones importantes en los dispositivos
de evacuación, o puede, por el contrario, originar el
subdimencionamiento de todos los dispositivos hidráulicos,
provocando a su vez el desbordamiento de las redes de
recolección de agua servida o la disminución sensible de
la eficiencia en los diferentes órganos de tratamiento de
las plantas depuradoras de agua residual.1,2
La comparación directa entre los registros de consumo
o porcentajes de agua devueltos a la red de alcantarillas
de diferentes municipios, instituciones, industrias, etc,
puede conducir a errores graves si no se consideran
factores externos tales como el clima, el tamaño de las
comunidades y la fiabilidad y calidad de los servicios,
entre otros, sin embargo, este procedimiento proporciona
una aproximación aceptable a la realidad y fácilmente
adaptable a otras localidades o centros, cuando no se
disponga de información precisa en cada lugar a desarrollar.
El trabajo tiene como objetivo la determinación de los
gastos máximos y mínimos probables, así como de los
coeficientes de irregularidad diaria y horaria de las aguas
residuales del Hospital Abel Santamaría en Pinar del Río.
Resumen / Abstract
Se determinan los caudales máximos y mínimos diarios
probables y el coeficiente pico diario y horario de las aguas
residuales del Hospital Abel Santamaría en Pinar del Río,
ajustándose los valores medidos a una distribución de
probabilidad normal. Los valores de K 1 y K 2 obtenidos fueron
iguales a 1,54 y 1,74 respectivamente. Se evalúan los
consumos de agua relativos a una cama en este centro, y se
concluye, entre otros aspectos, que los resultados obtenidos
pueden servir como punto de partida para el diseño de
dispositivos hidráulicos en instituciones de este tipo.
Palabras clave: caudales máximos y mínimos diarios,
coeficiente pico diario
The maximum and minimum probable flows and the pick
coefficients of wastewaters generated from the Abel
Santamaría Hospital in Pinar del Río city are determined.
The values measured fit a normal probability distribution
function. The obtained values of K 1 and K 2 were respectively
equal to 1,54 and 1,74. It is concluded, among other results,
that the obtained figures are acceptable as starting point
for the design of hydraulic devices in institutions of this
type.
Key words: maximun and minimun probable flows, pick
coefficients
Adicionalmente se evalúan los consumos de agua relativos
a una cama ocupada en dicho centro para su comparación
con normas internacionales.
Jorge R. de Armas, Ingeniero Hidráulico, Diplomado en Ingeniería Sanitaria, Especialista en Hidroeconomía, Dirección Provincial
de Recursos Hidráulicos, Pinar del Río
20
MATERIALES Y MÉTODOS
El Hospital Clínico Quirúrgico Abel Santamaría de Pinar
del Río se encuentra ubicado en el kilómetro 89 de la
Carretera Central. En el momento en que se efectuaron
las mediciones poseía una capacidad total de 600 camas,
la cual fue ampliada posteriormente hasta 900 camas.
El abastecimiento de agua a este centro se realiza a
partir de la red de acueducto de la Ciudad de Pinar del
Río, desde varias fuentes, para garantizar un servicio
continuo.
El agua residual colectada es conducida mediante un
emisario de 300 mm de diámetro hacia un sistema de
tratamiento individual, el cual posee una cámara de rejas
como órgano inicial.
En dicha cámara de rejas se instaló un vertedor
triangular con una abertura de 72º. Este vertedor fue
calibrado mediante aforos volumétricos sucesivos. La
curva de calibración se muestra en el gráfico 1.
Q = 8,07 x 10-3*H2,589
GRÁFICO 1 Curva de calibración del vertedor triangular.
En el gráfico 1 se presenta la curva de calibración del
vertedor utilizado, la cual fue ajustada con un coeficiente
de correlación r = 0,992 0.
Al dispositivo de medición (vertedor) se le acopló un
limnígrafo para detectar las variaciones instantáneas del
nivel de las aguas. Los resultados obtenidos fueron
procesados estadísticamente para determinar los caudales
medios horarios y diarios.
Paralelamente se registró la cantidad de enfermos
hospitalizados en esta institución en cada uno de los
diferentes días medidos. El cálculo del caudal de abasto
se realizó considerando un porcentaje de retorno al
alcantarillado correspondiente al 90 % del agua
suministrada.
Las mediciones de caudal se realizaron en dos períodos
distintos del año: invierno y verano, utilizándose en el primer
caso (invierno) el mes de diciembre y en el segundo caso
(verano) el mes de julio, con el objetivo de cuantificar
posibles variaciones estacionales en el consumo. A la
serie de datos de caudales medios diarios se le realizó la
prueba de homogeneidad de Fisher4, obteniéndose que la
misma es homogénea y presenta una buena
autocorrelación.
Los caudales máximos y mínimos, así como los
coeficientes de irregularidad diario y horario se obtuvieron
ajustando la serie de datos a diferentes funciones de
probabilidad y seleccionando la de mejor ajuste, en
conformidad con lo recomendado en la bibliografía
consultada. 1,3
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Comportamiento de los caudales medios horarios
En la tabla 1 se presentan los valores de los gastos
medios diarios, expresados en m 3.d-1 y en m 3.h-1 para cada
día de medición (11 en total) y en el gráfico 2 se muestran
las variaciones horarias medias del caudal de las aguas
de desecho del centro estudiado.
A partir de las 6:00 am (hora en que comienzan las
actividades diurnas en este centro) se nota un ligero
incremento en el caudal de las aguas residuales. Este
incremento resulta verdaderamente notable a partir de las
7:00 am (debido al tiempo de retardo de las aguas
residuales hasta el punto de medición, estimado en 20 min),
ocurriendo el valor pico alrededor de las 9:00 am.
Posteriormente, los consumos son menores, aunque
continúan siendo elevados, presentándose un pico
secundario cerca de las 3:00 pm. A partir de esta hora los
consumos comienzan a disminuir marcadamente, llegando
a presentar los valores mínimos entre las 2:00 am y las
5:00 am.
Si se analiza independientemente cada uno de los
meses metrados (diciembre y julio) (gráfico 3), se notan
algunas diferencias en los patrones de consumo.
En el mes de diciembre el comportamiento es similar
al medio anual, observándose un valor pico absoluto a las
9:00 am y otro secundario entre las 2:00 pm y las 3:00
pm, con gradual disminución posterior hasta las horas de
la madrugada. Por su parte, en el mes de julio se obtiene
el pico absoluto entre las 2:00 pm y las 4:00 pm,
observándose a su vez otros dos picos importantes, el
primero a las 8:00 am y el segundo a las 7:00 pm.
Existe además, en el mes de julio, un incremento en el
uso del agua, con valores elevados de consumo hasta las
9:00 pm hora en que comienzan a disminuir hasta
observarse los valores mínimos entre las 4:00 am y las
5:00 am. En este mes se consumen, como promedio,
140,4 m3.d-1 más que en el mes de diciembre.
Este sobreconsumo se presenta en las horas finales
de la tarde y la noche, motivado por un incremento del
uso del agua en el horario de baño.
El comportamiento de los caudales pone de manifiesto
que aún en un clima como el de Cuba, con pocas
variaciones de temperatura entre los meses de invierno y
21
Tabla 1
Caudales de las aguas residuales del Hospital Abel Santamaría en Pinar del Río
Mes de diciembre
Mes de julio
No.
1
2
3
4
5
m3 .d-1
783,0
668,6
468,4
504,2
695,2
m3 .h-1
32,6
27,9
19,5
21,0
29,0
6
7
784,0 595,4
32,7
24,8
8
9
10
739,9 979,9 747,6
30,8
40,8
31,1
11
Ù
Y
738,9 700,4
30,8
29,2
D.E.
142,0
5,9
GRÁFICO 2 Caudales medios de las aguas
residuales del Hospital Abel Santamaria.
GRÁFICO 3 Caudales medios de
las aguas residuales del Hospital
Abel Santamaría. Meses de julio y
diciembre.
22
verano, deben considerarse tanto para el proyecto como
para la investigación, las variaciones estacionales del uso
del agua.
Tabla 2
Caudales diarios de las aguas residuales del
Hospital Abel Santamaría, con su probabilidad
asociada
Estimación de los caudales máximo y mínimo
probables y del coeficiente de irregularidad diario
En la tabla 2 se presentan los valores de los caudales
diarios (m3.d -1) de las aguas residuales del centro en
estudio, ordenados de forma decreciente, con su respectiva
probabilidad empírica asociada, calculada por la fórmula:
m
P (m ) =
....(1)
n +1
donde:
P(m): Probabilidad asociada (%).
m: Número de orden en la serie.
n: Número total de mediciones.
A los datos ordenados se les realizó la prueba de
Smirnov-Kolmogorov para determinar la función de
probabilidad a la que se ajustaban. Se utilizaron para el
análisis las distribuciones: normal, lognormal, Pearson III,
Gumbell (máximos) y Gumbell (mínimos).
Los datos se ajustaron con mayor exactitud a una
distribución normal. Para la misma se obtiene:
1. Gasto máximo probable anual: 1 077,66 m3.d-1
2. Gasto mínimo probable anual: 323,26 m3.d-1
3. Coeficiente de irregularidad diario para Qmáximo: (K 1)1,54.
El valor del coeficiente de irregularidad diario obtenido
para el gasto máximo (1,54) es muy cercano al utilizado
comúnmente en proyectos para la estimación del gasto
máximo diario. 3
No. de
orden
Datos
ordenados
Probabilidad
empírica
1
979,9
0,083
2
784,0
0,167
3
783,0
0,250
4
747,6
0,333
5
739,9
0,417
6
738,9
0,500
7
695,2
0,583
8
668,6
0,667
9
595,4
0,750
10
504,2
0,833
11
468,4
0,917
Determinación de los consumos de agua relativos a
una cama ocupada en el centro estudiado
En la tabla 4 se presentan los valores de los consumos
de agua diarios, considerando un porcentaje de retorno al
alcantarillado igual al 90 % del agua suministrada, así
como el número de camas ocupadas y los consumos
relativos a una cama en el Hospital Abel Santamaría, en
Pinar del Río.
Se destaca que existe una correlación aceptable entre
los consumos de agua calculados y las camas ocupadas
(coeficiente de correlación lineal de 0,776). Por tanto se
verifica que el número de camas ocupadas es un indicador
aceptable para este tipo de institución.
Cálculo del coeficiente de irregularidad horario
máximo:
En la tabla 3 se presentan los coeficientes de
irregularidad horario máximo de cada día de medición.
Siguiendo un procedimiento similar al descrito en el
punto anterior se obtiene que estos datos se ajustan a
una distribución normal y el coeficiente de irregularidad
horario máximo se puede calcular como K2= 1,74.
Este valor es similar a algunos reportados en la literatura
para el caso de comunidades poblacionales.3
Tabla 3
Coeficientes de irregularidad horario máximo
Mes de diciembre
K2
-
1
2
1,62 1,54
Mes de julio
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Ù
Y
D.E
1,56
1,69
1,61
1,17
1,28
1,39
1,43
1,39
1,29
1,45
0,16
23
Tabla 4
Consumos de agua relativos a una cama en el
centro estudiado
Medición
No.
Caudal
No. de camas
ocupadas
Consumo
relativo
-
m3/d
-
L/cama.día
1
870,0
595
1 462,2
2
742,9
590
1 259,2
3
520,4
583
892,6
4
560,2
576
972,6
5
772,4
582
1 327,1
6
871,1
599
1 454,3
7
611,6
578
1 058,1
8
1 083,2
598
1 811,4
9
822,1
593
1 386,3
10
830,9
592
1 403,5
11
821,0
580
1 415,5
Media
773,3
588
1 313,0
Desv.Est.
161,0
8,3
259,9
C. V. (%)
20,8
1,4
19,8
El valor de 1 313 L por cama y por día resulta muy
elevado. 1,3 Si se analizan los gráficos 2 y 3 presentados
con anterioridad se observa que en horas nocturnas, donde
el consumo debe ser mínimo, se mantiene (en el intervalo
de 3:00 am hasta las 5:00 am) un caudal de agua residual
cercano a los 17,0 m3.h-1 (4,72 L.s-1). Parte importante de
este caudal lo constituyen las fugas en la red de
distribución interna de este centro.
A efectos del presente estudio se considera que
aproximadamente el 50 % de este caudal base se pierde
por el concepto anterior, lo que equivale a un volumen
diario de agua potable de 226,7 m3.
Por tanto, el volumen real consumido es de 473,7 m 3.d-1,
lo cual equivale a un consumo unitario medio de 805,6 L
por cama y por día.
CONCLUSIONES
• Al realizar mediciones del caudal de las aguas de
abasto o de los volúmenes de agua residual en núcleos
poblacionales o instituciones como la estudiada, debe
realizarse un diseño experimental que permita obtener tanto
24
las variaciones diarias del consumo como las estacionales,
las cuales pueden ser significativas como se ha mostrado
en el presente estudio.
• Los valores de los coeficientes de irregularidad diario
y horario calculados se encuentran dentro del rango
reportado por la literatura consultada.
• El consumo de agua relativo a una cama, medido
sobre la base del suministro a la red interior del centro
estudiado resulta ser muy alto (1 313 L/día), Sin embargo,
cuando se le reduce al indicador anterior el porcentaje
calculado como fuga (38,6 % del agua suministrada), se
obtiene un valor aceptable como índice de consumo
(805,6 L/día).
• Se ha demostrado que existe una relación lineal entre
el consumo de agua en un centro hospitalario y el total de
camas ocupadas en el mismo, con un 77,7 % de
variaciones explicadas por este concepto.
• Los resultados obtenidos en este trabajo pueden ser
utilizados como punto de partida para el diseño de
dispositivos hidráulicos (redes y plantas de tratamiento)
en centros hospitalarios, cuando no se disponga de
mediciones reales del consumo.
REFERENCIAS
1. METCALF AND EDDI: Wastewater Engineering:
Treatment, Disposal, Reuse, McGraw-Hill Book
Company, 1991.
2. VAN DUIJL, L.A.: "Wastewater Treatment. 1". Lecture
Notes on Wastewater Treatment. International Institute
for Hydraulic and Environmental Engineering. Delft. The
Netherlands. 1991.
3. VAN DER ZWAN, J.T.; M. W. BLOKLAND. "Water
Transport and Distribution. Part 1: Planning and Design
of Network Systems", International Institute for Hydraulic
and Environmental Engineering, Delft, The Netherlands,
1991.
4. HAAN, C. T.: "Statistical Methods in Hydrology", The
Iowa State University Press, 1982.
MAYO DEL 2000