Apuntes sobre la red de distribución de agua

TALLER DE SANEAMIENTO BÁSICO RURAL
CLASE 10
Ø
RED DE DISTRIBUCION DE AGUA
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LINEA o TUBERIA DE ADUCCION
Es la tubería que une el reservorio con la red de
distribución.
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RED DE DISTRIBUCION DE AGUA
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RED DE DISTRIBUCION DE AGUA
Es el conjunto de tuberías de diferentes diámetros,
válvulas, grifos y demás accesorios, cuyo origen está
en el punto de entrada a la ciudad (final de la línea de
aducción) y que se desarrolla por todas las calles,
conduciendo al agua hasta la vivienda del poblador.
La red está relacionada con el reservorio debido a
que éste suministra el agua y condiciona la presión
en la red (zonas de presión).
“AGUA POTABLE PARA POBLACIONES RURALES”, R. AGÜERO PITTMAN
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RED DE DISTRIBUCION DE AGUA ...
PARAMETROS BASICOS DE DISEÑO
DOTACION
Consumo Doméstico
Consumo Comercial
Consumo Industrial
Consumo Público
REQUERIMIENTO DE AGUA POTABLE
Caudal medio (Qm)
Caudal Máximo Diario (Qd)
Caudal Máximo Horario (Qh)
VARIACIONES HORARIAS
Coeficiente de Variación Diaria (K1)
Coeficiente de Variación Horaria (K2)
PERIODO DE DISEÑO
POBLACION DE SERVICIO
VOLUMEN DE ALMACENAMIENTO
Volumen de Regulación
Volumen de Reserva
Volumen Contra incendio
Volumen de Funcionamiento del Sistema (rebombeo)
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RED DE DISTRIBUCION DE AGUA ...
CONSIDERACIONES BASICAS DE DISEÑO
Dependiendo del REGLAMENTO, se consideran dos situaciones:
1. Población que no cuenta con servicio contra incendio: Qmh = k2Qm
2. Población que sí cuenta con servicio contra incendio: Qmd + QIncendio
ó Qmh
considerándose la situación más desfavorable.
Se calcula y verifica en la red:
1. VELOCIDAD EN LA TUBERÍA:
Vmín = 0.60 m/s
Vmáx = 3.0 m/s
2. PRESIÓN Mínima: necesidades domésticas 15 m – Ocasiones 10 m
Máxima: influye en el mantenimiento de la red – 50 m
En el caso de piletas públicas, la presión dinámica mínima podrá
reducirse a 3.50 m a la salida de la pileta.
3. Además se deben de considerar los DIAMETROS MINIMOS
especificados por los REGLAMENTOS.
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SISTEMAS DE DISTRIBUCION DEL AGUA POTABLE
1.
SISTEMA ABIERTO O RAMIFICADO
2.
SISTEMA CERRADO O EN MALLAS
3.
SISTEMA MIXTO
SISTEMA CERRADO
SISTEMA MIXTO
SISTEMA ABIERTO
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PLANEAMIENTO PARA EL CALCULO
DE REDES DE DISTRIBUCION DE AGUA
INFORMACION NECESARIA PARA EL DISEÑO
1.
Plano Regulador / Desarrollo Urbano (zonificación, expansión
urbana).
2.
Plano Topográfico.
3.
Sistema de agua potable si es que lo hubiese.
4.
Planos actualizados de otros servicios públicos (telefonía,
electricidad, alcantarillado, gas, etc).
5.
Plano de pistas y veredas.
6.
Estudio geotécnico, geológico, mecánica de suelos.
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VELOCIDAD MEDIA MAS ECONOMICA EN TUBERIAS EN m/s [1]
TUBERIA DE SUCCION EN BOMBAS CENTRIFUGAS,
DE ACUERDO CON LA CARGA DE SUCCION,
LONGITUD, TEMPERATURA DEL AGUA (<70ºC)
0.5 a 1.0
TUBERIAS DE DESCARGA EN BOMBAS
1.5 a 2.0
REDES DE DISTRIBUCION PARA AGUA POTABLE E
INDUSTRIAL
TUBERIAS PRINCIPALES
TUBERIAS LATERALES
TUBERIAS MUY LARGAS
1 a 2
0.5 a 0.7
1.5 a 3
TUBERÍAS EN INSTALACIONES HIDROELECTRICAS
CON TURBINAS
CON INCLINACION Y DIAMETRO PEQUEÑO
CON INCLINACION Y DIAMETRO GRANDE
HORIZONTALES Y GRAN LONGITUD
2 a 4
3.6 a 8
1 a 3
[1] “ROHRHYDRAULIK”, H. RICHTER, 4 ed. Springer Verlag, Berlín-1962.
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ANALISIS Y DISEÑO DE REDES HIDRAULICAS
ECUACIONES QUE GOBIERNAN EL PROBLEMA
1.
Ecuación de Continuidad:
ECUACION DE NUDO:
∑Q = q
2.
Ecuación de Energía:
ECUACION DE CIRCUITO:
∑h=0
3.
Ecuación de Cant. de Mov.: PERDIDA DE ENERGIA:
h = KQ n
METODOS DE ANALISIS: Se conoce D, L, C ó k, q; se calcula Q y/o h.
1. Balance de Ecuación de Circuito: MET. DE H. CROSS
2. Balance de Ecuación de Nudo: MET. DE CORNISH
∆Q = −
∑h
h
n∑
Q
Q−q
∑
∆h = −n
Q
∑h
3. Balance Ecs. Nudo y Circuito: MET. DE NEWTON-RAPHSON
(Mc Ilroy)
4. Balance Ecs. Nudo y Circuito: MET. DE LA TEORIA LINEAL (D. Wood)
5. Balance Ecs. Nudo y Circuito: MET. DEL GRADIENTE HIDRAULICO
(Ezio Todini & Enda O´Connell)
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OPTIMIZACION DE
REDES HIDRALICAS
CERRADAS
Diseño de la red, optimización, calibración de la red
existente y la generación de reglas de operación
necesarias para el control en tiempo real de la
distribución de agua potable.
METODOS DE DISEÑO:
Se conoce h o SUPERFICIE DE PRESION, L, C ó k, q, se calcula DOPTIMO y Q.
METODO DE A. TONG
DQ = +
LONGITUD EQUIVALENTE
SLe
1.85S(Le/Q)
(Le)
METODO DE V. RAMAN & S. RAMAN DQ = +
CONCEPTO
S(Le/Q)
2.85S(Le/Q2)
DIAMETRO EQUIVALENTE
METODO DE A. K. DEB & SARKAR
(De)
DQ =
A’
(0.381m – 1) S(Dem/Q2)
S(Dem/Q)
(0.381m – 1) S(De m/Q2)
ALGORTIMO GENETICOS, REDES NEURONALES,…
OPTIMIZACION DE METODO DE I-pai WU
REDES HIDRALICAS Inicialmente desarrollado para sistemas de riego a
presión, Wu demostró que en una serie de n tuberías
ABIERTAS
con caudales laterales al final de cada una de ellas el
costo es mínimo cuando la línea de gradiente
hidráulica forma una curva cóncava hacia arriba con
una flecha del 15% en el centro con respecto a la
línea recta que une las cargas de energía al inicial y
al final de la serie.
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ANALISIS DE REDES HIDRAULICAS
APLICACIONES Y SOFTWARE
Para redes pequeñas se resuelven las ecuaciones
generalizadas con:
1. Calculadoras científicas programables.
2. Hojas de Cálculo: Excel, Quattro-Pro, Lotus, …
3. Aplicaciones informáticas de matemáticas
generales:
MATLAB, MATHCAD, TK Solver, EUREKA,…
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ANALISIS DE REDES HIDRAULICAS - APLICACIONES Y SOFTWARE ...
Para redes grandes, las instituciones han desarrollado:
1.
Software especializado que analizan zonas de presión y/o velocidad, bombas, reservorios en
condiciones estáticas y reproducen períodos extendidos (reglas de operación de la bomba,
variaciones de la demanda) con presentaciones gráficas. Están relacionados con otros
programas: AutoCAD, Excel.
NOMBRE
LOOP
ENTIDAD
e_mail
NOTA
BANCO MUNDIAL
www.fao.gov
ok!
HAESTAD METHODS INC. (1)
www.haestad.com
ok!
ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY
www.epa.gov
ok!
UNIVERSIDAD DE KENTUCKY
www.kypipe.com
ok!
DE MONTFORT UNIVERSITY - UK
www.eng.dmu.ac.uk
ok!
CADred
INSTITUTO MEXICANO DE TECNOLOGIA DEL
AGUA
www.imta.com
REDES
www.jsaldarr@
Juan SALDARRIAGA V. (2)
UNIVERSIDAD.DE LOS ANDES - COLOMBIA uniandes.edu.co
WaterCAD
(STAND ALONE Y
FOR AutoCAD)
EPAnet
Pipe2000
KYPIPE
FINESSE
ok!
(1) “ADVANCED WATER DISTRIBUTION MODELING AND MANAGEMENT”, Haestad Methos, 1º Edición 2002.
(2) “HIDRAULICA DE TUBERIA”, Juan SALDARRIAGA V., Mc. Graw Hill-1998
Otros: CYBERNET, Macro Hardy Cross, Watermax, Watnet, Water-works, FlowMaster,
Hydronet, Hydroflow II, Aquanet, …..
2.
Lenguaje de programación: FORTRAN, PASCAL, C, BASIC.
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EJEMPLO DE APLICACIÓN DE UN SISTEMA ABIERTO O RAMIFICADO
Se desea diseñar la red de distribución para una localidad
de una población dispersa de densidad heterogénea, con
una población futura de 1,125 habitantes, para un
período de diseño de 20 años y una dotación de 90
l/hab/día (K1= 1.3, K2 = 1.5). Considerar que las tuberías
son de PVC.
A-B
B-C
C-D
C-E
B - Rp
Rp - F
F-G
F-H
H-I
Nº DE HABITANTES DE LA
POBLACION FUTURA
SERVIDA POR EL TRAMO
122
161
160
157
100
103
119
105
98
TOTAL
1,125
TRAMO
“AGUA POTABLE PARA POBLACIONES RURALES”, R. AGÜERO PITTMAN
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SISTEMA ABIERTO
R : RESERVORIO
C.R. : CAMARA
ROMPEPRESION
RED DE DISTRIBUCION ABIERTA
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EJEMPLO DE APLICACIÓ
APLICACIÓN DE UN SISTEMA ABIERTO O RAMIFICADO ...
Consumo medio:
Qm =
Qm =
Consumo máximo horario:
Pob * Dot
86, 400
1,125*90
= 1.172 l
s
86, 400
Qmh = k2Qm
Qmh =1.5*1.172 =1.758 l
Caudal unitario:
qu =
qu =
Caudal por tramo:
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s
Qmh
Poblacion _ Futura
1.758
= 0.0015627 l
s * hab
1,125
qtramo = qu * N º _ habi tan tes _ por _ tramo
EJEMPLO DE APLICACIÓ
APLICACIÓN DE UN SISTEMA ABIERTO O RAMIFICADO ...
CALCULO DE LOS CAUDALES POR TRAMO
TRAMO
A-B
B-C
C-D
C-E
B - Rp
Rp - F
F-G
F-H
H-I
CAUDAL
Nº DE HABITANTES DE LA
POBLACION FUTURA
POR TRAMO
SERVIDA POR EL TRAMO
(l/s)
122
0.191
161
0.252
160
0.250
157
0.245
100
0.156
103
0.161
119
0.186
105
0.164
98
0.153
TOTAL
1,125
qtramo = qu * N º _ habi tan tes _ por _ tramo
Ejemplo de cálculo
Tramo H-I:
0.0015627*98=0.153 …
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1.758
RESUMEN DEL CALCULO HIDRAULICO DE LA RED DE DISTRIBUCION
SISTEMA RAMIFICADO
TRAMO
(m)
CAUDAL (l/s)
LONG
. (m)
DIAM.
(plg)
VELOC
(m/s)
PERDIDA CARGA
COTA PIEZOMET.
(msnm)
COTA DEL
TERRENO
(msnm)
PRESION
(m)
UNIT
(%)
TRAMO
(m)
INICIAL
FINAL
INICIAL
FINAL
INICIAL
FINAL
1.542
72.9288
4.3757
2462.000
2457.624
2462.00
2443.00
0.00
14.62
1½
1.542
72.9288
9.1161
2457.624
2448.508
2443.00
2432.00
14.62
16.51
97
1½
0.655
14.9712
1.4522
2448.508
2447.056
2432.00
2430.00
16.51
17.06
0.250
67
1
0.493
14.2094
0.9520
2447.056
2446.104
2430.00
2424.00
17.06
22.10
0.245
0.245
105
1
0.484
13.6881
1.4373
2447.056
2445.619
2430.00
2432.00
17.06
11.62
B – Rp
0.156
0.820
109
1½
0.719
17.7897
1.9391
2448.508
2446.569
2432.00
2412.00
16.51
32.57
Rp – F
0.161
0.664
98
1½
0.582
12.0400
1.1799
2412.000
2410.820
2412.00
2392.00
0.00
18.82
F–G
0.186
0.186
86
1
0.367
8.2221
0.7071
2410.820
2410.113
2392.00
2369.00
18.82
41.11
F–H
0.164
0.317
100
1
0.626
22.0468
2.2047
2410.820
2408.615
2392.00
2385.00
18.82
23.62
H-I
0.153
0.153
120
1
0.302
5.7288
0.6875
2408.615
2407.928
2385.00
2372.00
23.62
35.93
TRAMO
DISEÑO
Res – A
--
1.758
60
1½
A–B
0.191
1.758
125
B–C
0.252
0.747
C–D
0.250
C–E
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TIPOS DE REDES DE DISTRIBUCION
1. REDES PRIMARIAS – TRONCALES – MATRICES - PRINCIPALES
- Son tuberías que conducen el agua hacia las redes secundarias.
- El dimensionamiento de hace mediante el CALCULO HIDRAULICO.
2. REDES SECUNDARIAS – RELLENO – SERVICIO
- Forman la estructura básica del sistema y distribuyen el agua hacia
las tomas domiciliarias.
- El dimensionamiento se realiza de acuerdo a datos experimentales y/o
especificaciones técnicas.
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PREDIMENSIONAMIENTO DE LA RED PRINCIPAL
Se deben de determinar los DIAMETROS de las tuberías.
Se considera que el consumo de agua es a través de los nudos.
CALCULO DE LOS CAUDALES DE INFLUENCIA DE LOS NUDOS
- Caudal por unidad de lote o conexión.
- Caudal por unidad de longitud – METODO DE LONGITUD TRIBUTARIA
- Caudal por unidad de área – METODOS DE AREAS
CALCULO DE LOS DIAMETROS TENTATIVOS DE LOS TRAMOS
- Método de la Velocidad
- Método de la Gradiente
- Método de la Pendiente Uniforme
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METODO DEL SECCIONAMIENTO
La red cerrada se convierte en una red abierta ramificada
debido al corte que se realiza en la red proyectada en varios
puntos determinados, de tal manera que el flujo de agua sea
en un solo sentido y proveniente de un ramal principal.
1
2
3
4
1
2
3
5
8
9
6
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4
5
8
I
9
II
6
METODO DEL SECCIONAMIENTO …
En la red proyectada se identifican los circuitos, los
cuales están formados por tramos numerados y que al
seccionarse la red se calculan los caudales para cada
tramo de la red abierta.
En un seccionamiento ideal, las presiones calculadas en
los puntos de corte deben ser iguales; en la práctica se
tolera una diferencia máxima de 10% con respecto al
valor de las presiones obtenidas para cada nudo. Si esto
no se verifica, se deberán alterar convenientemente los
diámetros de algunas tuberías o modificar el
seccionamiento adoptado.
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METODO DE LONGITUDES TRIBUTARIAS
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METODO DE AREAS TRIBUTARIAS
Los caudales se concentran en los nudos en proporción al área tributaria
del nudo con respecto al área de servicio total.
1
2
8
3
4
5
9
6
LIMITE DEL AREA
DE INFLUENCIA
RED
MATRIZ
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1
2
8
3
4
5
9
6
METODO DE AREAS TRIBUTARIAS …
Para determinar las áreas tributarias se trazan mediatrices a las tuberías
principales .
A2
1
2
AREA DE
INFLUENCIA
TRIBUTARIA
CAUDAL
DE
INFLUENCIA
1
A1
q1
2
A2
q2
3
A3
q3
…
…
…
…
…
…
9
A9
q9
TOTAL
A
QD
AREA TRIBUTARIA
DEL NUDO 2
3
4
q2
5
8
NUDO
9
qi = CAUDAL DE INFLUENCIA
6
A
AREA TOTAL
qi = qu Ai
qu = QD/A
QD = CAUDAL DE DISEÑO
qU = CAUDAL UNITARIO
Ai = AREA TRIBUTARIA
A
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= AREA TOTAL
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Pasos básicos en el diseño:
1. TRAZO DE LA RED
CRED = K RED Lq 0.6
La red tiene economía de
escala: si q se duplica,
CRED crece en 52%
2.
DIAMETRO DE LA TUBERIA
3.
CAUDAL DE DISEÑO
4.
PRESION DE DISEÑO
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CDIAMETRO = K DIAM D 2
CONEXIONES DE SERVICIO
Los sistemas de abastecimiento de agua prestan el servicio
mediante piletas públicas y/o conexiones domiciliarias.
En las localidades rurales
se puede presentar el caso
de piletas, las que se
ubican en puntos
estratégicos dentro del
centro poblado con la
finalidad de reducir la
distancia que debe recorrer
el usuario.
Las conexiones
domiciliarias que terminan
en el interior de la vivienda
son derivadas de las
tuberías secundarias. Este
servicio es utilizado en las
zonas urbanas.
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ACCESORIOS DE LA RED DE DISTRIBUCION
VALVULAS
USOS:
1. VALVULA DE CONTROL DE FLUJO
2. VALVULA REDUCTORA DE PRESION
3. VALVULA SOSTENEDORA DE PRESION
4. VALVULA ROMPEDORA DE PRESION
5. VALVULA DE IMPEDIMIENTO DE RETORNO DE FLUJO
TIPOS DE VALVULAS HIDRAULICAS
1. DE PISTON
2. DE MEMBRANA
3. DE DIAFRAGMA
4. DE DISCO
5. DE ASIENTO
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VALVULAS DE REGULACION
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VALVULAS REDUCTORAS DE PRESION
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VALVULAS MANTENEDORAS DE PRESION
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VALVULAS LIMITADORAS DE CAUDAL
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