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Análisis de calidad en redes de agua potable.
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Universidad Nacional de Ingeniería
Facultad de Ingeniería Ambiental
Especilaidad de Ingeniería Sanitaria
17/06/2015
Curso: Análisis de Redes y Fuentes de Agua
Profesor: Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo 1
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
Universidad Nacional de IngenieríaFacultad de Ingeniería AmbientalEspecialidad de Ingeniería Sanitaria
ANÁLISIS DE CALIDAD DE AGUA EN REDES DE
DISTRIBUCIÓN DE AGUA
Problemática de la calidad de agua
Análisis de Calidad de Agua en Redes de
Agua
Un sistema de abastecimiento de agua, además de garantizar una
condiciones mínimas de caudal y presión, debe garantizar
condiciones mínimas de calidad del agua para hacerla apta para
consumo.
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Problemática de la calidad de agua
Análisis de Calidad de Agua en Redes de
Agua
El Reglamento de la Calidad del Agua para Consumo Humano,
señala:
“... En caso de usar cloro o solución clorada como desinfectante, las muestras tomadas en
cualquier punto de la red de distribución, no deberán contener menos de 0,5 mg/l de
cloro residual libre en el noventa por ciento (90%) del total de muestras tomadas durante
un mes. Del diez por ciento (10%) restante, ninguna debe contener menos de 0,3 mg/l y
la turbiedad deberá ser menor de 5 Unidad nefelométrica de turbiedad (UNT).
Problemática de la calidad de agua
Análisis de Calidad de Agua en Redes de
Agua
Aunque el agua cumpla con los estándares en los puntos de
inyección, éste puede contaminarse, por ejemplo:
• Entrada de sustancia nocivas en situaciones de avería o
fenómenos transitorios.
• Corrosión de elementos metálicos o disolución de materiales.
• Pérdida de desinfectante cuando existe elevado tiempo de
permanencia.
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Problemática de la calidad de agua
Análisis de Calidad de Agua en Redes de
Agua
Por lo que un análisis completo de la evolución de la calidad de
agua en el sistema de distribución debería realizar como mínimo
las siguientes tareas:
• La evolución del sistema a intrusiones patógenas.
• Control de la calidad del agua en los depósitos.
• Control del nivel de desinfectante en diferentes puntos de la red.
• Materias orgánicas e inorgánicas que pueden presentarse en el
agua.
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Modelación Hidráulica y de Calidad de
Agua
Fuente: Bentley
Modelación Hidráulica y de Calidad de
Agua
Procesos presentes:
• Hidráulica
• Mezcla en Depósitos
• Transporte
• Reacciones en el flujo
• Reacciones en la pared
• Hidrodinámica de tanques
Fuente: Bentley
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Modelación Hidráulica y de Calidad de
AguaMezcla en Depósitos:
Hay dos formas extremas de circular el agua a través de un
depósito:
Flujo pistón agua avanza sin que se produzca ningún tipo de mezcla
Flujo mezcla completa agua avanza de manera que se va
produciendo la mezcla
Flujo pistón Flujo mezcla completa
Modelación Hidráulica y de Calidad de
AguaMezcla en Depósitos:
Flujo pistón: es característico de los depósitos estrechos, alargados y
con poca profundidad, o también depósitos equipados
con deflectores.
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Modelación Hidráulica y de Calidad de
AguaMezcla en Depósitos:
Flujo mezcla completa : el agua entrante se mezcla instantánea y
completamente con la que ya está en el depósito, por
lo que se tiene en todo instante una mezcla uniforme.
Son características las formas esféricas u otros con
diseño de flujos convenientes.
Modelación Hidráulica y de Calidad de
AguaMezcla en Depósitos:
Los procesos de mezcla reales no suelen ser ni de mezcla completa
ni tipo pistón, en su lugar, suelen ser situaciones intermedias de las
anteriores.
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Modelación Hidráulica y de Calidad de
AguaMezcla en Depósitos:
Modelos Matemáticos (EPANET, WaterCAD / WaterGEMS, otros)
contemplan hasta cuatro tipos de comportamientos para modelar el
depósito:
• El de mezcla completa
• El modelo con dos compartimentos
• El FIFO (el agua entra y sale de manera ordenada)
• El LIFO (es un modelo de pistón con bypass)
Modelación Hidráulica y de Calidad de
Agua
Tipos de análisis de calidad de agua:
• Constituyente (Constituent)
• Tiempo de permanencia del agua (Age)
• Procedencia (Trace)
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Análisis de Constituyente
Es el seguimiento de sustancias que, con una determinada
concentración, están presentes en la red.
Dentro de estas sustancias podemos incluir agentes desinfectantes, o
bien agentes contaminantes que se han introducido en nuestro
sistema.
La cinética de las reacciones de crecimiento
o decaimiento de las sustancias químicas es
función de materia orgánica de partida, de la
temperatura, del nivel de concentración de
cloro y hasta del pH del agua.
Análisis de Constituyente
Sustancias
químicas
Conservativas: no cambian o no reaccionan
mientras permanecen en la red
No conservativas: si reaccionan
• Salinidad
• Metales
• Nitrogenos
• Cloro
• THM’s
• Sólidos / Turbidez
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La ecuación para el cálculo del transporte de masa en tuberías es:
Análisis de evolución del cloro
Donde:
C = concentración de la sustancia química
V = velocidad del fluido en la tubería
D = coeficiente de difusión
kb = constante de reacción en el medio
n = número de orden de reacción
n
Una forma simplificada es:
Análisis de evolución del cloro
Donde:
C = concentración de la sustancia química
V = velocidad del fluido en la tubería
k = constante de reacción en el medio
n = número de orden de reacción
tk
o eCC
nCkdt
dC
Para el cloro n = 1
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La tasa de reacción K:
Análisis de evolución del cloro
)( fwH
fw
bkkR
kkkK
Donde:
kb = constante de reacción en el medio o masa
kw = constante de reacción de pared
kf = coeficiente de transferencia de masa desde el interior del
fluido hacia las paredes
RH = radio hidráulico de la tubería
Coeficiente de transferencia kf:
Análisis de evolución del cloro
D
dSk H
f
Donde:
kf = coeficiente de transferencia de masa desde el interior del
fluido hacia las paredes
SH = número de Sherwood
d = difusividad molecular del reactivo
D = Diámetro de la tubería
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Número de Sherwood SH:
Análisis de evolución del cloro
Donde:
Re = número de Reynolds
L = longitud de la tubería
= viscosidad cinemática del fluido
2HS
dSH
83,0Re023,0
32
Re04,01
Re0668,0
65,3
dL
D
dL
D
SH
En régimen estacionario (Re<1)
En régimen turbulento (Re>2300)
En régimen Laminar (1<Re<2300)
Coeficiente de masa kb: (Bulk coefficient)
Análisis de evolución del cloro
díakdía b /5,1/1,0 Cloro residual libre
Coeficiente de pared kw: (Wall coefficient)
díakdía w /52,1/06,0 Cloro residual libre
Difusividad molecular d:
segmdsegm Cloro /104,1/102,1 2929 Cloro
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Tiempo de permanencia del agua
• Tiempo transcurrido desde que el agua entra en el sistema hasta
un instante considerado.
• También se conoce como: Edad del agua o Tiempo de residencia.
Tiempo de permanencia del agua
Formulación Matemática:
Donde:
Ai = Tiempo de permanencia acumulado en nudo “i”
AAj = Tiempo de permanencia en nudo “j”
qi = Caudal que llega al nudo “j” desde el nudo “i”
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Tiempo de permanencia del agua
Formulación Matemática:
Donde:
AAj = Tiempo de permanencia acumulado en nudo “j”
AAk = Tiempo medio de permanencia en nudo “k”
qki = Caudal que llega al nudo “j” desde el nudo “k”
Tkj = Tiempo necesario para ir del nudo “k” al nudo “j”
k
l
Análisis de Procedencia
Es una herramienta útil que nos permite estudiar el alcance del
agua en la red procedente de una fuente de suministro, cuando la
red se alimenta desde más de un punto.
Fuente N° 1
Fuente N° 2
q% Fuente N° 1
% Fuente N° 2
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Análisis de Procedencia
En sistemas que tienen más de una fuente se utiliza para determinar:
• Qué porcentaje de caudal viene de cada fuente en cada nodo.
• El área de influencia de cada fuente individual, y su variación a
través del tiempo.
Análisis de Procedencia
El análisis de procedencia también nos puede a la hora de aumentar la
cantidad de desinfectante de una fuente o bien añadir puntos de
recloración, al detectar una zona con baja concentración de cloro
residual.