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EPARED. PROGRAMA PARA EL DISEÑO YSIMULACIÓN DE REDES HIDRÁULICAS

Miguel Enrique Alfonso Fleites *

Ingeniero Hidráulico especializado en abastecimiento y tratamiento de aguas, MSc. Enhidroinformática. Actualmente es Director de Ingeniería y Obras de Aguas de la HabanaFomento y Recreo, Cerro, Ciudad de La Habana, CubaTelf: 66 4950 ext. 232, 306Email: menrique@aguas.colombus.cu

Ing. Jorge Alfonso Ordás.Aguas de La Habana

RESUMENSe presenta el software EpaRed, desarrollado para el diseño y simulación de redes de distribución de agua y sistemas apresión en general, que surge a partir de las experiencias en el desarrollo y explotación de este tipo de sistemas y de lasnecesidades tecnológicas de nuestra Empresa. Se exponen las necesidades que lo motivaron, sus antecedentes, alcance yventajas, por ultimo se muestran algunas experiencias en su utilización y se trazan las expectativas de desarrollo.

INTRODUCCIÓN

La necesidad de mejorar la calidad del agua suministrada y de optimizar las operaciones implicadas en ello, ha idoincorporando el uso de nuevas técnicas como la informática y la automática en la gestión y control de los sistemashidráulicos. Debido a esto, el uso de modelos matemáticos se ha generalizado y actualmente abarca todos los sistemasdel ciclo del agua. Los modelos se utilizan en el estudio y desarrollo de proyectos de mejora o revisión de lasinstalaciones (modelos de análisis y diseño) o de su explotación diaria (modelos operacionales).

Para la confección de estos modelos se necesita un programa de computo que permita simular los diferentes elementosde la red y un algoritmo de calculo rápido y confiable a fin de que puedan generar y ajustar los balances hídricos en elmenor tiempo posible con la mayor confiabilidad. Existen en el mercado diversos software que cumplen estascaracterísticas entre los que están el PICCOLO de la Safege (Francia), EPANET de la USEPA (EUA), KYPIPE de laUniversidad de Kentucky (EUA), el STONER de Stoner Workstation Services (EUA) y el WaterCAD de HaestadMethods (EUA). En Cuba se han creado el DYSCAD y el RED de la EIPHH, el ROKO del ISPJAE y el ADOSA delCEDICO.

Con este trabajo se hace la presentación del software EpaRed, que viene a combinar las experiencias y facilidades de susantecesores, DISCAD y RED, programas desarrollados y explotados por nuestros especialistas durante mas de 10 años,con las experiencias y estandarización del EPANET.

PROBLEMA A RESOLVER

La compleja gestión de los recursos hídricos, específicamente los Acueductos de una ciudad como La Habana, con masde 2 000 000 de habitantes, es prácticamente imposible sin software especializados. Los programas desarrollados ennuestro país, no satisfacen por completo la envergadura de los diseños y estudios actuales. Por otra parte, la adquisición

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de algún software foráneo como los mencionados anteriormente que cumpla nuestras expectativas resulta costoso. Espor eso que se decidió solucionar este problema con nuestros medios.

ANTECEDENTES.

Para la mejor comprensión del trabajo realizado haremos una breve presentación de los programas de computo utilizadoshasta el momento.

RED (Miguel E. Alfonso Fleites, EIPHH, 1990)

RED es un software aplicable en el diseño y simulación de redes de tuberías, sistemas de pozos y esquemas hidráulicos apresión en general. Está concebido para realizar trabajos en condiciones de flujo permanente o simular sucomportamiento en períodos extendidos, puede ser usado en redes malladas, abiertas o mixtas, siendo capaz de procesarhasta 5000 nudos y tramos. El balance de los gastos y cargas se logra resolviendo un sistema de ecuaciones no linealesmediante el método de Newton Raphson y empleando el método de los elementos finitos se modelan condiciones defrontera para simular diversos equipos y accesorios tales como tanques, válvulas, estaciones de bombeo, entregas, etc.Se pueden obtener además las curvas bomba-sistema de tuberías, isolíneas piezométricas y planos detallados de losesquemas hidráulicos.

El software RED es una versión mejorada del programa de diseño DISCAD, utilizado por mas de 10 años en lasempresas de proyectos hidráulicos del INRH, y que fue realizado en la Empresa de Investigaciones y ProyectosHidráulicos de la Habana, en este tiempo ha demostrado sus facilidades en diseño de redes en muchos lugares, como sonlos acueductos de Santiago de Cuba o el de Varadero y también en otros países como Venezuela o Colombia, de lamisma forma se ha utilizado para realizar análisis operacionales de Polos turísticos como Varadero o Cayo Largo, osectores del acueducto de la Ciudad de la Habana

Entre sus principales ventajas está el ser un programa inicialmente concebido para diseño, por lo que su algoritmo detrabajo funciona acorde con este objetivo, otra ventaja reside en su dialogado amigable y en la posibilidad de establecercomo fondo de pantalla una imagen cartográfica generada a partir de un fichero con formato DXF, de esta forma seconservan las coordenadas importadas y se conforman los datos de entrada al sistema automáticamente. También esposible exportar ficheros en formato DXF con los planos de los esquemas hidráulicos de la red analizada.

EPANET, USEPA (EUA),

EPANET es una aplicación que realiza simulaciones en periodo extendido (o cuasi estático) del comportamientohidráulico y de la calidad del agua en redes y tuberías a presión; permitiendo seguir la evolución del flujo del agua en lastuberías, la presión en los nudos de demanda, el nivel del agua en los depósitos y la concentración de cualquier sustanciaa través del sistema de distribución durante un período prolongado de simulación. Además de las concentraciones,permite determinar el tiempo de permanencia del agua en la red y su procedencia desde los distintos puntos dealimentación.

En EPANET se coordina la modelación del comportamiento hidráulico de la red y la calidad del agua, el programa se haconcebido para obtener simultáneamente la solución de ambos problemas. Sin embargo, como alternativa, puedetambién calcular solamente la parte hidráulica y almacenar los resultados en un fichero, o utilizar un fichero hidráulicopreviamente almacenado para llevar a cabo una simulación de la calidad del agua.

EPANET ha sido desarrollado por la Agencia de protección del Medio Ambiente de los Estados Unidos de América(USEPA por sus siglas en ingles), y es utilizado por diversas compañías del sector del agua como programa de computopara la simulación y modelo de redes hidráulicas.

Entre sus principales ventajas está un modulo de calculo confiable y facilidades para simular elementos de la red comoson válvulas, bombas, tanques, etc. permitiendo que estos elementos trabajen siguiendo normas fijadas por el usuario yvinculadas al comportamiento de la red en cada momento, como puede ser el ejemplo de bombas que arrancan y parande acuerdo al nivel en un tanque, o válvulas que operan a horas predeterminadas. Por otra parte, permite trabajar con el

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sistema de unidades internacionales o inglesas, además, esta diseñado para utilizar cualquiera de las tres principalesecuaciones de calculo (Hazen-Williams, Darcy-Weisbach y Chezy-Manning para tubería llena).

Otra ventaja significativa es que EPANET permite el intercambio de ficheros con aplicaciones GIS (Sistemas deInformación Geográfica), estas aplicaciones vinculan información gráfica con bases de datos de los componentes de lared y los usuarios, así como otros parámetros importantes, que son utilizados para realizar análisis hidráulicos.

Entre los inconvenientes de este software esta el poco amigable sistema de entrada de datos, que en una primera versióndifundida en Cuba requiere la creación de un complejo fichero de texto con formato específico. En la versión 2 del 2000esta dificultad trata de ser mejorada sin que sea definitivamente resuelta. Otro aspecto es que EPANET realiza análisishidráulicos pero no permite el diseño automático de tramos o sectores de la misma, lo que limita su utilización en el áreade proyectos e investigaciones.

NUEVO PROGRAMA EPARED

Los dos programas presentados anteriormente son los actuales estándares de uso en nuestro país pero no abarcan por sísolos las necesidades tecnológicas del momento, por lo que se decidió el desarrollo de un híbrido que combine laspotencialidades de ambos, aprovechando la experiencia adquirida en la programación de DISCAD y RED por una parte,y del hecho de que EPANET es un programa de código abierto, o sea que proporciona las herramientas (toolkit) quepermiten identificar las DLL (bibliotecas de vínculos dinámicos o Dinamic Link Library) que vienen a ser los motoresde calculo del sistema.

Las DLL, en términos informáticos, son subrutinas ejecutables que proporcionan funciones específicas para undeterminado fin, están almacenadas independientemente como archivos con la extensión DLL, sólo se activan cuando elprograma principal las llama y tienen la ventaja de poder ser utilizadas por diferentes aplicaciones a la vez, mientras estono sucede no ocupan memoria.

El propósito fue generar un programa con un dialogado parecido a RED, que resulta familiar para los técnicos cubanos,tomar de él los procesos para realizar el diseño y la importación de ficheros DXF, pero utilizar los módulos de cálculoDLL del EPANET que permiten un análisis mas profundo de los diferentes elementos hidráulicos de la red.

Entre las principales ventajas logradas con el EpaRed podemos señalar:

Intercambio de ficheros entre RED y EPANET, esto permite que análisis realizados anteriormente con RED puedan serleídos por el EpaRed y posteriormente generar un fichero de entrada para EPANET. De igual forma un fichero deEPANET puede ser leído por EpaRed, aunque no es posible su conversión a RED ya que todas las funciones de RED sonasumidas por el mismo.

Importación y exportación de ficheros DXF (formato de intercambio de dibujos, Drawing Interchange File) que puedenser leídos o generados por sistemas CAD (diseño asistido por computadoras, Computer Aided Design). Con laimportación se logra que el proceso de entrada de datos sea menos trabajoso, pues el fichero importado trae consigo lascoordenadas extremas y la información gráfica necesaria para localizar cualquier punto de la red, lo que significa quecon solo picar en un punto determinado ya el programa absorbe sus coordenadas, evitándose el tedioso proceso deteclear estos valores. Por otra parte facilita el proceso de interpretación de los resultados ya que ofrece unarepresentación gráfica de la cartografía de la zona.

Con la exportación se logra la generación automática de planos de trabajo y esquemas gráficos indispensables en lapresentación de informes y resultados.

En el ámbito de la simulación EpaRed le suma a RED las potencialidades de EPANET lo cual le permite simulardiferentes elementos como:

Embalses, que constituyen depósitos lo suficientemente grandes como para mantener una cota piezométrica fija.

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Tanques, depósitos que tienen un nivel de agua variable en el tiempo en función de las entradas y salidas que solicite lared. Estos depósitos pueden tener un volumen fijo o variable, en este ultimo caso su comportamiento se rige por unacurva de modulación.

Estaciones de bombeo que siguen curvas de funcionamiento y tienen la autonomía de parar y arrancar en función de lascaracterísticas del sistema.

Válvulas de diferentes propósitos:

• Válvulas Reductoras de Caudal

• Válvulas Sostenedoras de Presión

• Válvulas de Rotura de Carga

• Válvulas Controladoras de Flujo.

• Válvulas Reguladoras

Para simular el comportamiento de la red se habilitan algunas herramientas:

Curvas de modulación, que son las responsables de establecer los valores de consumo en el tiempo, variándolo desde losvalores extremos en las horas pico hasta los valores mínimos en las horas valle.

Controles, que permiten modificar la operación o estado de una bomba, válvula o tubería en un instante dado o cuandose alcanza una determinada presión en un nudo o un determinado nivel en un depósito.

De ambos programas anteriores se hereda las facilidades de realizar zoom y paneo de la imagen gráfica, así comovisualizar algunas características de los puntos que resulten de interés con solo picarlos con el Mouse. Otra importantecaracterística es la facilidad para generar patrones de colores e isolíneas que ofrecen una idea del comportamiento de lared en función de determinadas características como pueden ser las cargas piezométricas o las zonas de presiones.

La mayor robustez la adquiere EpaRed cuando permite el diseño de redes nuevas, para esto usa la metodologíapropuesta en RED que se basa en realizar análisis hidráulicos sucesivos, variando los diámetros hasta lograr que todoslos tramos se encuentren dentro de los parámetros de velocidades económicas establecidas y que en todos los nudos secumplan las presiones deseadas, sin embargo para realizar los análisis se utilizan las DLL de EPANET, o sea que sevincula el método de diseño de RED con las herramientas de cálculo de EPANET.

Una importante herramienta para proyectistas dada en EpaRed es la forma de estimar los consumos en los nudos ya quea la clásica entrada directa de un valor se le añade la posibilidad de determinar gráficamente las áreas, las cualesmultiplicadas automáticamente por la densidad de población de la zona y por la dotación asumida para la región seobtiene directamente la demanda del nudo.

Otro aspecto de suma importancia es que se pueda contar con la totalidad del código fuente del programa lo queposibilita que podamos realizar mejoras y actualizaciones con relativa facilidad y sin depender de otros recursos, porotra parte se hace factible la adaptación del programa a condiciones especificas y para resolver situaciones puntuales enlas que un software generalizado estaría limitado.

La importancia de este último aspecto debe verse con visión de futuro, ya que si pensamos en la automatización portelemando y telecontrol que se implanta en nuestra Empresa, o sea un sistema que funcione desde un centro de control, yque es capaz de captar la información proveniente de un sistema SCADA (sistema para el control y adquisición de datos,Software Control And Data Adquisition), procesar esta información, y brindar el estado de funcionamiento en tiemporeal del sistema o autoajustar el sistema hidráulico, dejándolo listo para dar respuestas, ya sea emitiendo avisos uórdenes de operación, o emitiendo órdenes directamente a los diferentes elementos del sistema; todo esto es posible solosi somos capaces de programar e implantar un software capaz de realizar estas funciones, y es por eso que disponer deun programa propio nos resulta de vital importancia.

En la actualidad el software EpaRed se encuentra fase de puesta a punto y perfeccionamiento, ya se ha utilizado en losnuevos trabajos de modelación que se acometen en el Departamento de Pitometría y Modelos.

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CONCLUSIONES

Se logró el objetivo de desarrollar un programa capaz de responder a las necesidades tecnológicas de la gestión modernade acueductos y así evitar la adquisición de un costoso producto comercial.

Disponer de un software como el que se presenta, posibilita el desarrollo acelerado de los trabajos de modelación ysimulación de redes, garantizando un ambiente de trabajo conocido por los técnicos y fácil de utilizar, con un confiablealgoritmo de calculo y diseño, heredado de combinar las ventajas de los programas que lo antecedieron. Estos aspectosrepercuten en la mejor calidad del agua suministrada y en la optimización de las operaciones.

El hecho de que el software se desarrollara en su totalidad en nuestra entidad garantiza su actualización y mantenimientosin incurrir en grandes gastos. Por disponer del código fuente el programa podrá ser mejorado de acuerdo a losrequerimientos y observaciones de sus usuarios, de la misma forma existe la posibilidad de generar modelos querespondan a problemáticas especificas, que usualmente no se pueden tratar con los otros software del mercadodisponibles debido a que estos están diseñados para cubrir solo los aspectos más comunes.

Actualmente el programa se está habilitando para responder al telemando y telecontrol y para trabajar en Internet, lo queposibilitará que un usuario desde un punto remoto, digamos una rotura en un lugar específico de la ciudad, puedaacceder al programa residente en un servidor de la oficina central, con ello al modelo de la red en cuestión y desde allíanalizar las posibles soluciones operativas.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Alfonso Fleites. Miguel E., RED, Programa de computación para el diseño y simulación dinámica de sistemas detuberías. II Congreso AIDIS Norteamérica y el Caribe, Santiago de Cuba, 1995.

Alfonso Ordás. J., Creación de las bases para el estudio con modelos de la red de distribución de agua potable -Experiencia cubana. Revista Voluntad Hidráulica, Cuba, 1999

Rossman, Lewis A., EPANET 2. User Manual. United State Environmental Protection Agency. 2000.

Simón Arocha R., Abastecimientos de aguas, teoría y diseño. Ediciones Vega. 1984

Velichko Tzachkov, Método y programa de computación para el análisis hidráulico de un sistema de tuberías. RevistaIngeniería Hidráulica, Vol. VIII, Nº 1/87

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ANEXO GRAFICO, VISTAS DE EPARED

SIMULACION DE CAMPOS DE POZOS

NUEVOS DISEÑOS EN LA CIUDAD DE LA HABANA