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DETERMINACION MATEMATICA DE INTRUSION DE MATERIA ORGANICA EN LA RED MATRIZ DEL ACUEDUCTO DE BOGOTÁ DAVID RODRIGO PRIETO GAMBOA Trabajo de Grado para optar al título de Ingeniero Ambiental UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTÁ, D.C. 2005
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DETERMINACION MATEMATICA DE INTRUSION DE MATERIA ORGANICA EN LA RED MATRIZ DEL ACUEDUCTO DE BOGOTÁ
DAVID RODRIGO PRIETO GAMBOA
Trabajo de Grado para optar al título de Ingeniero Ambiental
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTÁ, D.C.
2005
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TABLA DE CONTENIDO
PAG.
1. INTRODUCCION 3
1.1 OBJETIVOS 5
2. HIPÓTESIS Y TAREAS ESPECÍFICAS 6
2.1 HIPOTESIS 6
2.2 TAREAS ESPECÍFICAS 8
2.1.1 Tareas específicas a desarrollar 8
3. MARCO TEORICO 9
3.1 COMPUESTOS ORGÁNICOS 9
3.2 INTRUSIÓN DE M.O EN LAS LÍNEAS DE CONDUCCIÓN DE AGUA
POTABLE 13
3.2.1 Efecto de la intrusión de TOC en el agua potable. 14
3.2.2 Modelo Matemático De Transiente de presión 15
3.2.2.1 Equilibrio Dinámico 16
3.2.2.2 Ecuación de Continuidad o Ecuación de Conservación de la Masa 18
3.2.2.3 Celeridad de las Ondas 20
3.2.3 Modelo Empírico del Transiente de Presión 21
3.2.4 Potencial de Intrusión De Materia Orgánica 23
4. RED MATRIZ DEL ACUEDUCTO DE BOGOTA 26
4.1 DESCRIPCION DEL SISTEMA 26
4.1.1 Sistema de Almacenamiento, Captación, y conducción de Agua Cruda 24
4.1.2 Plantas de Tratamiento 29
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4.1.3 Sistema de Conducción, Distribución y Almacenamiento 30
5. CUNTIFICACION DE INTRUSION DE M.O 54
5.1 LOCALIZACION PUNTOS DONDE SE PRESENTA INTRUSION
DE M.O 54
5.2 INTRUSION DE M.O 57
5.2.1 Determinación del Caudal de Intrusión 58
5.2.2 Determinación Concentración de M.O en los puntos de Intrusión 60
6. CONCLUSIONES 68
7 BIBLIOGRAFIA 70
8 LISTA DE TABLAS Y FIGURAS 73
8.1 INDICE DE TABLAS 73
8.2 INDICE DE FIGURAS 74
9 ANEXOS 75
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1. INTRODUCCION
La desinfección es uno de los procesos más importantes en la potabilización de agua con el
fin de prevenir enfermedades causadas por patógenos como bacterias y virus. En la
actualidad existen una gran variedad de sistemas de desinfección de agua como lo son la
desinfección por cloro, la ozonización la radiación U.V, entre otros (Arboleda 2000).
El proceso de desinfección del agua más utilizado en el mundo y en especial en Colombia
es el de desinfección con cloro, ya que es económico y su aplicación es sencilla y de bajo
riesgo en su aplicación. Una de las ventajas que tiene el uso de cloro es que se deja un
remanente de cloro (cloro residual) (Arboleda 2000) para que continúe como desinfectante
a través de la red de distribución. Este cloro puede reaccionar con diferentes compuestos
orgánicos y organismos que pueden ser patógenos y por lo tanto destruirlos o inactivarlos;
sin embargo se ha encontrado un serio problema con la aplicación de cloro, relacionado con
la formación de algunos subproductos como los Trihalometanos (THMs) los cuales pueden
ser potencialmente dañinos para la salud pública (Villanueva et al 2002).
Existe una relación directa entre el uso de cloro para la desinfección y la formación de
Trihalometanos (Golfinopoulos et al, 2002). Se ha encontrado que la materia orgánica, así
como otros compuestos, reacciona con elementos halogenados entre los cuales está el cloro
para producir este tipo de contaminantes (Gallard et al 2002). Existen además otros factores
los cuales pueden ser determinantes en la formación de compuestos organoclorados como
lo pueden ser la formación de biopelículas y largos tiempos de residencia del agua en las
tuberías de la red de distribución (M. Rodríguez et al., 2003).
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La presencia de subproductos de la cloración tiene una gran relevancia ambiental debido a
que se han encontrado relacionados con algunos tipos de cáncer como lo son el cáncer de
recto y el de vejiga, (Villanueva et al., 2000). Por esta razón se debe prestar una atención
especial a este tema y profundizar en su estudio para disminuir el riesgo y el aumento de
enfermedades al que se esta expuesto a través del consumo de agua.
Uno de los factores que podrían llegar a tener gran influencia en la formación de
compuestos como los THMs es la intrusión de Materia Orgánica al la red de distribución de
agua potable la cual reaccionaría con el coro residual y con otros compuestos presentes en
el agua para formar subproductos.
El objetivo de este proyecto de grado es el determinar posibles puntos en la red de
distribución de la ciudad de Bogotá en donde se presenta intrusión de Materia Orgánica y
los respectivos incrementos de concentración en los puntos de intrusión del sistema.
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1.1 OBJETIVOS
• Determinar teóricamente los puntos en los cuales se puede presentar intrusión de
Materia Orgánica a la rede matriz del acueducto de Bogotá.
• Establecer el potencial de intrusión y los niveles de concentración de M.O que se
presentan en diferentes puntos de la red matriz de distribución de agua.
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2. HIPÓTESIS Y TAREAS ESPECÍFICAS
2.1 HIPOTESIS
La calidad del agua que abastece una ciudad como Bogotá debe ser optima para el consumo
humano, lo cual implica que se deben reducir los agentes patógenos a niveles que no
afecten la salud pública. Para poder realizar esto, se desarrollan procesos de potabilización
del agua entre los que se incluye la remoción de la materia orgánica y la desinfección.
En las Plantas de tratamiento de agua que abastecen a la ciudad de Bogotá se utiliza un
proceso de desinfección con cloro, donde este reacciona para producir ácido hipocloroso
(HOCl) e Ion hipoclorito (OCL-); estos compuestos se denominan cloro libre los cuales
reacciona con los agentes patógenos y los elimina. (Arboleda 2000)
El Cloro libre puede reaccionar con una serie de compuestos orgánicos para formar un
gran número de subproductos de la cloración entre los cuales se destacan los THMs. Los
THMs más comunes son el cloroformo y el bromodicloroetano; con frecuencia también se
encuentran el dibromoclorometano y el bromoformo. La concentración de los THMs
depende de la presencia de compuestos orgánicos que pueden reaccionar con el cloro, así
como de la dosis de cloro, el tiempo de contacto, la temperatura del agua y el pH (Gallard
et al 2002).
Uno de los factores que tienen impacto directo en la formación de THMs en la presencia
de M.O presente en el agua, la cual puede ser introducida a las tuberías desde sus
alrededores en momentos de bajas presiones o de vacíos en las tuberías como el golpe de
ariete (Wang, 2001), generando así un aumento en la cantidad de Carbono Orgánico total.
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Debido a que las tuberías del sistema de abastecimiento de la ciudad de Bogotá tienen ya un
largo período de vida, es probable que en algunas partes puedan tener fisuras o estar
dañadas lo que facilita la introducción de materia orgánica, así como también la puede
facilitar la operación de diferentes sistemas e implementos como lo son válvulas de control
de caudal, bombas de succión/impulsión, reparaciones al sistema entre otros.
Se pretenderá desarrollar este trabajo bajo las siguientes hipótesis:
I. La diferencia de presión entre el exterior de la tubería y su interior puede generar la
intrusión de Materia Orgánica a través de fisuras en las tuberías de distribución de
agua.
II. El Aumento en la concentración de THMs en la red se debe a un incremento en la
concentración de M.O a lo largo de las líneas de conducción.
III. La concentración de THMs en la red puede ser modelada matemáticamente y
además con esto se pueden hacer predicciones sobre los posibles puntos críticos del
sistema.
IV. Las altas tasas de reducción de cloro residual en la red, se deben en gran parte a la
reacción del cloro con la M.O presente.
V. Los cambios bruscos de velocidad en las tuberías producen un diferencial de presión
en diferentes puntos de la red, lo cual puede aumentar el potencial de intrusión de
M.O al sistema.
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2.2 TAREAS ESPECÍFICAS
Con el fin de llevar a cabo los objetivos establecidos en este proyecto de grado se
desarrollarán diferentes tareas y actividades con las cuales se pretende comprobar o
contradecir la hipótesis propuesta. Están basados principalmente en la determinación
teórica de intrusión de materia orgánica en la red de distribución de agua potable del
acueducto de Bogotá.
2.2.1 Las tareas específicas a desarrollar son:
• Recopilar información sobre los diferentes factores que intervienen en el fenómeno
de intrusión de M.O a las tuberías de una línea de conducción.
• Buscar información y bibliografía sobre antecedentes investigados en otros países.
• Determinar los sitios de la red en donde puede estar presentando intrusión de M.O a
partir de la recopilación de información sobre perdidas de presión en el agua del
sistema.
• Establecer el potencial de intrusión de M.O en cada uno de los puntos donde se
puede estar presentando este fenómeno.
• Determinar teóricamente los niveles de concentración de materia orgánica que se
puede estar introduciendo en cada uno de los sitios donde se establezca un potencial
de intrusión.
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3. MARCO TEORICO
En estos últimos años se han presentado nuevas inquietudes con respecto al uso de la
cloración para la desinfección en el agua potable y las distintas reacciones y subproductos
que se derivan del cloro residual procedente de este proceso, como lo es la formación de
Trihalometanos, los cuales son compuestos orgánicos que aparecen en el agua potable tras
ser sometida a cloración en presencia de sustancias húmicas, los cuales son potencialmente
cancerígenos. (Villanueva et al 2000).
Debido a la importancia que tiene la presencia de Materia orgánica en las redes de
distribución de agua potable para la formación de compuestos orgánicos clorados, es
necesario determinar la cantidad de M.O que esta entrando en el sistema para así poder
determinar con mayor exactitud los puntos críticos del sistema de distribución donde se
pueden presentar niveles críticos de compuestos como los THMs y los HAAs.
Junto con la introducción de M.O al sistema están asociados otros contaminantes como lo
son los distintas clases de patógenos los cuales acarrean problemas de enfermedades en los
seres humanos por la ingestión de estos microorganismos sobre todo en los casos donde la
concentración de cloro residual es baja. (LeChevallier, et al. 2003).
3.1 COMPUESTOS ORGÁNICOS
Existen diferentes tipos de compuestos orgánicos que se pueden encontrar en el agua, los
cuales son de particular interés debido a que reaccionan con el cloro residual formando los
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denominados subproductos de la cloración (Arboleda 2000). Entre los principales
compuestos encontramos:
Ácidos fúlvicos y húmicos.
Productos de degradación de materia orgánica como resorcinol.
Ácido vinílico.
Ácido siríngico.
Pigmentos de las plantas como clorofila floroacetofenona.
Biomasa de algas.
Aminoácidos y pirimidinas (triptofanos).
Desechos industriales como los fenoles.
Los anteriores compuestos son denominados precursores de los THMs, los cuales
reaccionas con el cloro de la siguiente forma (J. Arboleda 2000):
HOCl- + precursores THMs + subproductos (1)
Los HAAs al igual que los THMs son subproductos de la cloración los cuales se forman a
partir de la reacción de compuestos orgánicos basados en la molécula del ácido acético
(CH3CH2OH), en la que uno o más átomos de hidrógeno unidos a los átomos de carbono
son reemplazados por un elemento halógeno, en este caso el cloro.
CH3CH2OH + HCl- HAAs + subproductos (2)
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Los ácidos fúlvicos y húmicos se forman por la degradación de M.O en el suelo, lo cual
hace que sus concentraciones pueden ser muy altas y son de particular interés en este
trabajo.
La materia orgánica es la fracción orgánica del suelo en la que se encuentran residuos
vegetales y animales en diferentes fases de descomposición, tejidos y células de
microorganismos que subsisten en el suelo y las sustancias orgánicas que estos producen.
Esta fracción de suelo tiene una estructura pequeña ya que es menor a 2 µm . (Kördel et al.
1997)
Los ácidos húmicos se clasifican en tres grupos de acuerdo a su solubilidad en diferentes
solventes como agua, bromuro de acetilo, alcohol etílico y el hidróxido de sodio en
solución y condiciones de pH (Kördel et al. 1997):
ácidos fúlvicos
ácidos húmicos
huminas
Los ácidos fúlvicos representan la fracción de humus, que no se precipita por ácidos y que
tiene color amarillento rojo. Generalmente son compuestos fenólicos de peso molecular
bajo. (Kördel et al. 1997). La estructura molecular de los ácidos fúlvicos se puede observar
en la figura 1a.
Los ácidos húmicos son la fracción de sustancias Húmicas que puede precipitar por ácidos
como el ácido clorhídrico y son solubles en bases. Generalmente son polímeros de alto
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peso molecular que forman coloides esferoidales, su capacidad de intercambio catiónico se
debe a la presencia de la función ácido orgánico (-COOH) y de la función hidroxilo. La
fracción de los ácidos húmicos soluble en etanol se denomina ácido himatomelánico, que es
de color marrón rojizo. (Kördel et al. 1997). La estructura molecular de los ácidos húmicos
se puede observar en la figura 1b.
Las huminas representan la fracción que sólo es soluble en solución de hidróxido de sodio
caliente. (Kördel et al. 1997)
Figura 1a. Modelo estructural de Los ácidos Fúlvicos
Adaptado de: Properties of Humic Substances 2004. (www.ar.wroc.pl/~weber)
Figura 1a. Modelo estructural de Los ácidos Fúlvicos
Adaptado de: Properties of Humic Substances 2004. (www.ar.wroc.pl/~weber)
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3.2 INTRUSIÓN DE M.O EN LAS LÍNEAS DE CONDUCCIÓN DE AGUA
POTABLE
La contaminación del agua potable dentro del sistema de conducción puede ocurrir
principalmente durante eventos de cambios permanentes o transitorios de presión en la
tubería. Estos cambios de presión son causados por cambios bruscos en la velocidad del
agua los cuales son originados por (Hua Wang et al 2003):
Una perdida de potencia abrupta en el sistema
La operación de Apertura y Cerrado de una Válvula
El incontrolado manejo de operación de una Bomba (encendido y apagado).
Desboque de una turbina.
Este fenómeno de Cambio de presiones es conocido como fenómeno de golpe de ariete ya
que va acompañado de un fuerte sonido sobre las tuberías. El fenómeno es gobernado por
las fuerzas de compresibilidad, lo cual hace que la velocidad de translación del fenómeno
transiente sea muy alta, correspondiendo a la velocidad del sonido en ese medio.
Debido a que las ondas de presión viajan a través del sistema de distribución, se puede
presentar que en cualquier punto del sistema el agua abandone la tubería; o que debido a la
onda de presión negativa origine momentáneamente que agua del exterior de la tubería
llegue al interior de ella. (LeChevallier et al 2003).
El fenómeno en el cual el agua es expulsada fuera de la tubería durante momentos de sobre
presiones se conoce como extrusión y cuando el agua es transportada desde afuera hacia
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adentro de la tubería se denomina Intrusión. Es por esta razón que la Materia Orgánica
presente en el suelo alrededor de la tubería puede llegar a ser introducida por procesos
físicos (hidráulicos) de intrusión. (Hua Wang et a 2003).
3.2.1 Efecto de la intrusión de TOC en el agua potable.
En varias investigaciones se ha encontrado una relación entre los problemas de calidad del
agua en los sistemas de distribución y abastecimiento de agua los cuales son influenciados
por diferentes factores entre los que se incluye el decaimiento de cloro, el recrecimiento de
microorganismos debido a cambios favorables en la temperatura, y la presencia de carbono
orgánico. (Hua Wang et al 2003).
En la mayoría de los estudios realizados sobre presencia de TOC y su influencia en la
formación de THMs y HAAs (Gallard et al 2002), han encontrado que existe un aumento
en la formación de estos subproductos, debido a un incremento en el contenido de Material
húmico soluble, contenido en las fuentes naturales de agua (Abdulla et al.2003). Se ha
determinado además que el índice de formación de los THMs es igual al de consumo de
TOC, lo cual evidencia una clara relación entre Materia Orgánica y producción de THMs.
Una reacción de primer orden que relaciona al TOC con el aumento de THMs, fue
encontrada (Gallard et al 2002).
El índice de formación de Trihalometanos será mayor dependiendo de la concentración de
TOC disponible, pero es necesario que exista una considerable concentración de cloro
residual disponible (Abdulla et al.2003). Babcock y Singer encontraron que las
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contribuciones relativas para la producción de THMs son mayores para la fracción húmica
de la materia orgánica que la fracción Fúlvica, ya que la parte húmica reacciona más
fácilmente con el cloro (Badcock et al 2002.) como resultado de la parte lenta de la
reacción entre los precursores de THMs con los productos de la desinfección con cloro. La
formación de THMs con respecto al TOC es producto de una reacción de segundo orden,
principalmente para la formación a largo plazo de THMs (Gallard et al. 2002)
En resumen la producción de THMs puede ser expresada como un proceso multi-etapa
donde se involucra una fase inicial rápida de cloro con TOC para producir compuestos
clorados intermedios, seguida de una fase de reacción lenta para formar THMs y otros
subproductos
3.2.2 Modelo Matemático De Transiente de presión
Para poder determinar el comportamiento en flujo inestable del fenómeno de transiente de
presión de forma dinámica; es decir para determinar la presión sobre la tubería en cualquier
instante de tiempo y en cualquier punto de la tubería se utiliza la teoría de la columna
elástica o teoría de Golpe de Ariete, en donde tanto el agua y la tubería tienen un
comportamiento elástico donde las ondas de presión que se generan dependen directamente
de las propiedades de la tubería y el agua, siendo algo complejo la solución del sistema de
ecuaciones diferenciales que resulta (Victor L. Streeter et al 1993) .
El análisis está basado en dos ecuaciones una ecuación que plantea equilibrio dinámico y
una ecuación de conservación de la masa.
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3.2.2.1 Equilibrio Dinámico
Tomando un volumen de control para un sector de tubería se tiene:
Figura 2. Balance De masa para un Volumen de Control Fuente: Victor L. Streeter et al 2000
Planteando una ecuación de sumatoria de fuerzas (Equilibrio Dinámico) se obtiene (Streeter
et al 2000):
(3)
Donde:
A = área de la sección (m2)
p = Presión sobre el volumen de control (Kpa)
x = Longitud del volumen de control (m)
ρ = densidad del agua (kg/m3)
g = Aceleración de la gravedad (m/s2)
Generalmente el segundo sumando de la parte derecha de la ecuación 2 es pequeño
comparado con el primero, es por esta razón que se puede incluir en éste:
(4)
d x
v
p + dp
p v + vd
x
W
α
dtddAsendgAdpppA vx x x
xραρ =−⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
∂∂
+−
dvdt
= −1ρ
∂p∂x
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El término dv/dt se puede expresar en la siguiente forma:
(5)
Luego:
(6)
(7)
De Donde:
(8)
Donde:
Celeridad de las ondas de presión (9)
Lo anterior Implica que:
(10)
Reemplazando la ecuación 9 en la ecuación 3 se obtiene:
(11)
Para finalmente al reemplazar P = 2gH en 10 y llegar a (Streeter et al 2000):
(12)
dv =∂v∂x dx +
∂v∂t dt
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
+∂∂
∂∂
= dtdt
td x
xv
v
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
∂∂
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
∂∂
+∂∂
=∂∂
cv1v
xx1vv
tt
dtd
tt
c = ∂ x ∂t
dvdt =
∂v∂ t
dvdt =
∂v∂ t
∂v∂t
= −1ρ
∂p∂x
∂v∂t = − 2g
∂H∂x
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Esta última ecuación representa la ecuación de equilibrio dinámico en el fenómeno de
transiente de presión o de Golpe de Ariete.
3.2.2.2 Ecuación de Continuidad o Ecuación de Conservación de la Masa
La ecuación de continuidad se basa en lo siguiente (Streeter et al):
La masa que entra a un volumen de control es igual a la masa que sale de éste más la masa
que se queda almacenada, el almacenamiento puede ser positivo o negativo. Entonces:
ME = MS + MA (13)
De donde:
(14)
Donde:
ME Masa que entra
(15)
Donde: MS Masa que sale
(16)
Donde;: MA Masa que se almacena
ME = ρ A v dt
dtdAMS ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
∂∂
+= xxvvρ
( ) dtdAt
MA ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡∂∂
= x ρ
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Al expandir el diferencial para esta ecuación se obtiene:
(17)
El primero de los sumandos de la parte derecha de esta última ecuación indica la masa que
se queda almacenada por efecto de la compresibilidad del fluido.
Por otra parte, el segundo sumando indica la masa de fluido que se almacena por efecto de
la deformación del tubo. En ambos casos el almacenamiento de masa puede ser negativo, es
decir, puede existir pérdida de masa en el volumen de control.
Como en el fenómeno la tubería es elástica, se deben tener consideraciones de las
propiedades del material y sus características físicas. Además se debe tener en cuenta la
compresibilidad del fluido que en este caso es agua. Al tener en cuenta estas variables la
ecuación de continuidad se convierte en (Streeter et al 2000):
(18)
Donde:
K es el coeficiente de compresibilidad del fluido
A es el área Transversal de la tubería
H es la Presión expresada como altura de columna de agua
D es el diámetro de la tubería
( ) dttAddt
tdAdtdA
t ∂∂
+∂∂
=∂∂ x x x ρρρ
ρ A v dt − ρ A v dt − ρ A
∂v∂x dx dt = A dx ρ
K γ∂H∂t dt + ρdx AD
eE γ
∂ H ∂t dt
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E es el Módulo de elasticidad del material que conforma las paredes de la tubería
e es el espesor de las paredes de la tubería.
Eliminando los términos similares se Obtiene:
(19)
Ahora, el término ρ(1/K + D/eE) tiene dimensión de inverso de velocidad al cuadrado,
luego:
(20)
Donde:
c = Celeridad de las ondas de presión en la tubería.
Finalmente se obtiene la siguiente ecuación para la conservación de masa (Streeter et al
2000):
(21)
3.2.2.3 Celeridad de las Ondas
Para encontrar la celeridad de ondas de presión se tienen que tener en cuenta tanto las
características físicas del agua como del conducto. A continuación se presenta la ecuación
característica para el cálculo de la celeridad en tuberías:
(22)
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
∂∂
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
∂∂
=∂∂
−EK
1EK
1xv
eD
tHg
eD
tH ργ
2c1
EK1
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
+eD
ρ
∂v∂x = − g
c2∂H∂t
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
+
=
EK11
c
eD
ρ
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Los valores más usuales para el cálculo la celeridad de ondas en tuberías son (Streeter et al
1993):
En el caso de un tubo rígido la celeridad es la máxima y tiene un valor de c = 1425 m/s. Los
valores más comunes para la celeridad de onda se encuentran entre 1100 y 1200 m/s.
3.2.3 Modelo Empírico del Transiente de Presión
El efecto del fenómeno de transiente de presión en una tubería es causado por un abrupto
cambio en la velocidad en el sistema. La energía del sistema esta compuesta por energía
cinética y potencial; es por esto que al ser brusco el cambio, el agua se mueve desde de
altos valores energía a bajos valores de energía en un mismo punto de la tubería de manera
cíclica (LeChevallier et al 2003).
Los cambios de Presión en el sistema pueden ser expresados de la siguiente manera:
Ecuación De Joukowsky (LeChevallier et al 2003):
H = 4660 * (Vi - Vf) (23)
(1 + Mw * ID) 0.5*g
Mp th
Donde:
H = Incremento de presión (ft)
Mw = Modulo de elasticidad del Agua (psi)
K = 20 × 10 8 N m 2 = 20 × 10 8 Pa
ρ = 1000 Kg m 3
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Mp = Modulo de elasticidad del material de la Tubería (psi)
ID = Diámetro interno de la tubería (in)
th = Espesor de las paredes de la tubería (in)
g = Aceleración de la gravedad (ft/sec2)
Vi = Velocidad inicial del agua (ft/sec)
Vf = Velocidad final del agua (ft/sec)
Como se puede observar en la ecuación el cambio de presión depende de las características
del material de la tubería del sistema, las características físicas de la tubería y del cambio de
velocidad e el agua.
Figura 3. Ejemplo Transiente de Presión Adaptado de: HiTrans V2. Software para cálculo de Transientes de Presión 2005.
En la figura 2 se puede observar el efecto de golpe de ariente en tuberías, el cual genera
cambios en la presión del sistema a través del tiempo, el cual oscila aumentando y
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disminuyendo progresivamente hasta estabilizarse en una nueva presión. En este ejemplo se
ve como la presión comienza en 9 mca y llega a valores de presión negativa de -8 mca para
luego aumentar y estabilizarse paulatinamente.
El valor de la presión en una tubería va a estar altamente influenciado además por la
operación que se lleve a cabo en el sistema, la topografía del la línea de conducción, la
posición de instrumentos de control y operación como válvulas y bombas, los tanques de
almacenamiento de aguas, y la entrada de aire (LeChevallier et al 2003).
Es importante resaltar que este modelo tiene una limitación y es que solo estima el cambio
de presión máximo que se puede presentar durante un evento de transito de presiones, más
no tiene en cuenta la variación en el tiempo y en la posición a lo largo de la tubería.
3.2.4 Potencial de Intrusión De Materia Orgánica
Tal como se ha mencionado anteriormente existen variaciones o diferencias en la presión
de las tuberías que pueden originar un gradiente de presión entre el entorno de la tubería y
el interior de la misma, generando una intrusión de contaminantes al sistema y entre ellos el
de Materia orgánica.
Las formas por las cuales se presenta la intrusión de M.O que más comúnmente se
presentan son (Hua Wang et al 2003):
• Condiciones de Transiente de Presiones.
• Rupturas en la tubería las cuales generan pérdidas en la presión del sistema.
• Reparación sobre el sistema.
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• Conexiones herradas.
De a cuerdo a Wang et al 2003, la presión en las líneas de conducción del sistema (HL) esta
influenciado por las condiciones de operación, las cuales pueden generar cambios
significativos en la presión.
Pro otra parte la presión del agua en el exterior de la tubería (H ext) esta relacionada con los
niveles de agua (nivel freático) con respecto a la línea de conducción. (Wang et al 2003).
La presión interna mínima que se puede llegar a presentar es la presión de vapor (Hv) ya
que para una presión menor la tubería podría llegar a colapsar; por lo tanto se genera un
máximo de diferencial de presión H ext - Hv. A partir de esto se denomina el potencial de
intrusión (IP) como (Wang et al 2003):
IP = H ext - Hv (24)
Donde:
IP = Potencial de Intrusión
H ext = Presión Externa de la tubería
Hv = Presión Absoluta de Vapor
Factores como la celeridad de onda de presión, la variación en la demanda de flujo de agua,
el flujo proveniente de los tanques de almacenamiento (Wang et al 2003), las condiciones
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ambientales de la zona de localización de la línea de tubería tales como altura sobre el nivel
del mar, temperatura ambiente, influyen en e potencial de intrusión de contaminantes al la
red de distribución.
La cantidad volumétrica de intrusión puede ser calculada con base a resultados empíricos
obtenidos experimentalmente en diferentes investigaciones (Wang et al 2003).
El volumen de intrusión puede ser calculado como:
Q1 = (C1π / 4)* D12* (2g(H ext - Hv))0.5
(25)
Donde:
Q1 = Caudal de intrusión en el punto de estimación (m3/s)
C1 = Coeficiente de descarga de orifcio (adimensional)
D1 = Diámetro del Orificio (m)
g = Aceleración de la gravedad (m/s2)
H ext = Cabeza de presión externa (m)
Hv = Cabeza de presión interna en el punto de intrusión (m).
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4. RED MATRIZ DEL ACUEDUCTO DE BOGOTA
La red matriz del acueducto de Bogotá es el sistema de redes principal del sistema de
distribución de agua, a través del cual se lleva el agua a todas las zonas de la ciudad; sin
embargo en su recorrido, el agua que ha sido tratada esta expuesta a la contaminación
debida a fallas en el sistema, mal estado de las tuberías donde se pueden presentar fisuras,
operación del sistema como lo puede ser la apertura y cierre de válvulas y prendido y
apagado de bombas. Es por esto que se hace necesario para poder establecer la intrusión de
M.O en la red matriz de Bogotá, que es el objetivo de este trabajo de grado, determinar
como opera el sistema de distribución, su funcionamiento y sus elementos tales como
tuberías, bombas, válvulas y tanques entre otros que lo componen.
4.1 DESCRIPCION DEL SISTEMA
Un sistema de distribución de agua, tiene los siguientes componentes básicos:
• Fuentes de Agua
• Plantas de Tratamiento
• Almacenamiento
• Distribución
El sistema de acueducto de la ciudad de Bogotá tiene una capacidad instalada de 27,5 m3/s
y una demanda de 14,61 m3/s, (Velastegui 2002), lo cual implica una demanda del 53 % de
la capacidad instalada.
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El sistema del acueducto además de la ciudad de Bogotá abastece de agua potable a algunos
municipios cercanos como Sopó, Tocancipá, Gachancipá Cajicá, Chía, además de
municipios como La Calera, Funza, Madrid y Mosquera.
La población atendida es de aproximadamente 7 millones de habitantes, lo que representa
cerca de 1’300.000 usuarios o abonados al sistema (Velastegui 2002).
4.1.1 Sistema de Almacenamiento, Captación, y conducción de Agua Cruda
El sistema de captación posee distintas fuentes de agua cruda, las cuales abastecen a las
diferentes plantas de tratamiento:
La planta de tratamiento de Tibitoc ubicada al norte de la ciudad cuenta con un grupo de
embalses llamado Agregado Norte se abastece del agua del río Bogotá, y desde los
embalses de Aposentos, que regula el caudal del río Teusacá.
La planta Wiesner localizada al oriente se abastece del embalse de Chuza y de algunos
pozos de captación de quebradas, cuyos excesos son almacenados en el Embalse de San
Rafael.
La planta de san Diego ubicada al oriente de la ciudad se abastece del río san francisco, el
cual es el menor de los sistemas de captación.
En las plantas de tratamiento de Vitelma, La Laguna, y el Dorado, dependen de una serie de
embalses del agregado Sur entre los que se encuentra el embalse de la regadera.
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El agregado Norte el cual se encuentra en el norte de la Sabana, esta constituido por tres
embalses, los cuales tienen una capacidad de almacenamiento total de 894 millones de m3.
Estos embalses son:
• Embalse de Tominé 690 millones de m3 de Capacidad
• Embalse del Sisga 102 millones de m3 de Capacidad
• Embalse del Neusa 102 millones de m3 de Capacidad
El recurso hídrico del agregado Norte, no es solamente utilizado para el consumo humano,
generación eléctrica y riego de campos agrícolas y para la regulación de caudales de
crecientes del río Bogotá. (Velastegui 2002).
El embalse se aposentos, se encuentra ubicado en el bajo Teusacá, en la parte sur del cerro
de Tibitoc en donde se encuentra la planta de tratamiento. Este embalse almacena las aguas
del río Teusacá. Este embalse tiene una capacidad de 0,8 m3.
El sistema Chingaza, localizado en el Nororiente de la ciudad, cuenta con un sistema de
captación el cual consta del embalse de Chuza con una capacidad de 257 millones de m3,
en el cual se comunica con la planta Wiesner a través de dos túneles donde se regula el
caudal de agua a través de una válvula de control de flujo para pasar de un flujo a Presión a
flujo libre. (Velastegui 2002).
El embalse de San Rafael almacena parte del agua que viene del sistema Chingaza, a través
de un rebosadero antes de entrar a la planta de Tratamiento. El embalse tiene una capacdad
de 75 millones de m3. Por otra parte el embalse también es abastecido por el río Teusacá,
caso que es útil para tener una alternativa de suministro a la planta en un evento no normal
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de operación, tal como lo puede ser el mantenimiento de los túneles o un evento de
contingencia.
El río San Francisco que se encuentra ubicado en los cerros centro orientales de la cudad,
tiene una capacidad de 180 l/s que abastecen a la planta de San Diego; la conducción se
realiza por medio de una conducción de hierro fundido de 14”. Por otra parte el río San
Cristóbal surte de agua a la planta de Vitelma, con una capacidad de captación de 450 l/s a
través de una tubería de 24” en concreto.
El Agregado Sur es un sistema de embalse que regulan y almacenan el caudal del río
Tunjuelo y sus afluentes. Estos embalses que componen el agregado sur son:
• Embalse la regadera 4,14 millones de m3
• Embalse Chisacá 6,68 millones de m3
• Laguna los Tunjos 2,40 millones de m3
El embalse de los Tunjos alimenta la línea de 36” de concreto, la cual a su vez conduce el
agua hasta la plantas Vitelma, El Dorado y la Laguna.
4.1.2 Plantas de Tratamiento
El sistema de acueducto cuenta con seis plantas de tratamiento de agua potable las cuales
son:
• Planta de Tibitoc
• Planta Francisco Wiesner
• Planta de Vitelma
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• Planta de la Laguna
• Planta del Dorado
• Planta de San Diego
Las plantas de tratamiento a excepción de la planta Wiesner son de tipo convencional
(Velastegui 2002) las cuelen incluyen los procesos de coagulación, floculación,
sedimentación ya sea convencional o de alta tasa, filtración y desinfección. La PTAP
Francisco Wiesner es de filtración directa la cual no incluye el proceso de sedimentación
debido a que el agua que llega a la planta es de ala calidad (parámetros fisco-químicos y
bacteriológicos) (Velastegui 2002).
4.1.3 Sistema de Conducción, Distribución y Almacenamiento
El acueducto de Bogotá tiene tres tipos de conducciones a través de las cuales puede llevar
el agua tratada desde las plantas de tratamiento y efectuar su distribución a lo largo de la
ciudad. Estos tipos son:
• Sistema de conducción de Líneas expresas.
• Sistema de Troncales de conducción y distribución por gravedad.
• Sistema de Bombeo.
SISTEMA DE CONDUCCIÓN DE LÍNEAS EXPRESAS
Las líneas de conducción, son líneas que transportan el agua desde la planta de tratamiento
hasta los tanques de almacenamiento sin tener que llevar agua directamente al sistema de la
red matriz o de distribución.
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El sistema de líneas expresas está principalmente constituid por las conducciones que van
desde la Planta Wisner hasta o Tanques de Santa Ana, Chicó, Vitelma, El Silencio,
Casablanca, Cazucá, además de los tanques de Suba, Usaquén, Unicerros, Bosque Medina,
Bosque de Pinos, Cerro Norte, Soratama, y Codito. (Velastegui 2002).
El sistema Wiesner está constituido por:
• Túnel de Usaquén y de Santa Bárbara
• Túnel Alterno de Usaquén
• Conducción Portal de Salida de Santa Bárbara – Tanque Santa Ana
• Conducción Portal de Salda túnel Santa Bárbara – Portal entrada túnel Los Rosales.
• Túnel de Los Rosales
• Ventana El Chicó – Tanque El Chicó
• Línea Silencio – Vitelma
• Línea Silencio – San Diego y silencio – Casablanca – Cazucá
• Línea Microcentral Santa Ana – Tanque Suba
• Líneas Nororientales.
Por otra parte el sistema l Dorado posee líneas expresas desde la planta hasta el tanque
Piedra Herrada y a su vez desde este tanque hacia los tanques de la Fiscalía y Monte
blanco.
El sistema de líneas expresas cuenta con estructuras de control de flujo para Chicó,
Silencio, Vitelma, Cazucá, Silencio, Casablanca y San Diego, que dependen en su totalidad
del túnel Los Rosales; el sistema está dividido en dos ramales paralelos, donde cada uno de
los cuales tiene una válvula de control de flujo de paso anular. En operación Normal salvo
la estructura de Casablanca, las estructuras trabajan a un solo ramal. (Velastegui 2002).
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El caudal que viaja por cada una de las líneas es regulado con una válvula de control, la
cual regula el caudal de acuerdo al volumen de almacenamiento disponible (Velastegui
2002).
Las válvulas del sistema tiene un comportamiento lineal de Caudal – apertura, donde cada
una de ellas esta representada por la siguiente ecuación:
Q (m3/s) = 0.315* AV -2.19 (26)
Donde:
Q = caudal (m3/s)
AV = apertura de la válvula (cms)
De la anterior ecuación se puede determinar que la carrera muerta de válvula es de
aproximadamente 7 cms, donde a partir de esta apertura comienza el flujo de caudal
(González 2004).
La estructura de control de flujo de Suba, esta constituido por dos ramales paralelos, los
cuales tienen una forma similar al sistema expreso de Wiesner, pero la válvula para el
control es de flujo de paso anular o multichorro (Velastegui 2002).
La estructura de control se las líneas nororientales son válvulas de control hidráulico o de
altitud, las cuales se encuentran localizadas antes de la llegada a cada tanque.
El sistema proveniente de la planta de tratamiento El Dorado, contiene estructuras de
control para los tanques de Piedra Herrada, La Fiscalía y Monteblanco, las cuales están a su
vez conformadas por válvulas de control de caudal y presión, de la clase multichorro, las
cuales son utilizadas para controlar tanto el caudal y presiones en la línea, como así también
los niveles en los tanques. (Velastegui 2002).
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A continuación se describe brevemente cada una de las líneas de conducción del sistema de
conducción expresas las cuales como se mencionó anteriormente llevan el agua desde las
plantas de tratamiento hasta los tanques de almacenamiento:
Túnel de Usaquén y Santa Bárbara: El túnel de Usaquén comienza a partir d la planta
Wiesner en la cota 2825, con una longitud de 2.5 Km, y una sección transversal en forma
de herradura con un diámetro promedio de 3.5 metros, no revestido, el cual termina en una
válvula automática de 72”, localizada en la parte oriental del barrio de Usaquén donde la
cota batea de salida es 2799.31 msnm (EAAB 2003). Se debe garantizar en la cámara de
contacto de la planta Wiesner un gradiente hidráulico no inferior a 2825, lo cual generaría
una despresurización del túnel y afectando la estabilidad y buen funcionamiento del
sistema, además de favorecer las condiciones para la entrada de material orgánico tales
como ácidos Fúlvicos y húmicos, precursores de subproductos de la cloración como los
THMs.
A partir de la salida del túnel existe una tubería de 2.5 metros de diámetro de acero y 42
mts de longitud, la cual finaliza en la entrada al túnel de Santa Bárbara en la cota 2798.91
msnm, este túnel también tiene forma de herradura y una longitud de 268 metros, en donde
a su salida existe una válvula manual con una cota de salida de 2796.44 msnm.
Túnel Alterno de Usaquén: El túnel alterno de Usaquén comienza a la salida de la planta
de tratamiento Wiesner, es un tunel revestido en concreto con una sección circular de 3.5
metros y una longitud de 2.5 kms.
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La salida del túnel esta conectad a una línea de conducción de 78” que va hasta la entrada
del túnel los Rosales, a través de una tee de 78” x 78”, donde a demás consta en cada uno
de sus extremos con una válvula, las cuales facilitan la operación entre el túnel de Usaquén
y el túnel alterno. (Velastegui 2002). La cota de salida del túnel es de 2790.77 en la batea.
Conducción Salida Túnel santa Bárbara – Tanque Santa Ana: La línea de conducción
comienza desde el portal de salida del túnel de Santa Bárbara en una caja, donde tiene una
derivación en 78” la cual se conecta con la salida del túnel alterno de Usaquén y con la
entrada a túnel los Rosales.
Esta conducción tiene un diámetro promedio de 90.5”, hasta llegar a la micro central de
Santa Ana, de donde nace la conducción Wiesner- Suba, y además se deriva una tubería de
60” de entrada a Santa Ana. La línea comienza en la cota 2700 msnm y tiene una cota de
llegada al tanque de Santa Ana de 2692. En este tramo de línea expresa se desprende una
conducción de 20” hacia el sistema llamado nororientales. El volumen de almacenamiento
del tanque de Santa Ana es de 30000 m3 en una estructura única.
Conducción Portal de Salda túnel Santa Bárbara – Portal entrada túnel Los Rosales:
Consta de una tubería de 78” de diámetro la cual permite la comunicación entre los túneles
de Santa Bárbara, Alterno de Usaquén y el de los Rosales; en el cual se encuentra en su
parte norte la salida del túnel de Santa Bárbara, en su parte central se conecta con el túnel
alterno de Usaquén y finaliza en la entrada al túnel de los Rosales, en donde se encuentran
tres válvulas para manejar las diferentes alternativas de operación. (EAAB 2003).
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Túnel de Los Rosales: Este túnel revestido y tiene una longitud de 9080 metros y un
diámetro de 2.80 metros. Este tunel atraviesa los cerros orientales de la ciudad, esta
conformado a demás por dos ventanas de acceso llamadas ventanas del Chico en donde se
empata una tubería de 12” CCP que llega a la estructura y tanque de control Chico y la
Ventana de la vieja (EAAB 2003). El túnel finaliza su recorrido a nivel del parque
Nacional, donde cuenta con una válvula manual y dos automáticas, a través de las cuales se
envía agua hacia el tanque de Vitelma y a los tanques del Silencio, Cazucá, y Casablanca.
Ventana El Chicó – Tanque El Chicó: Esta línea de conducción expresa la cual se deriva
del túnel de los rosales a través de una tubería de 12” de diámetro, tiene una longitud de
562 metros y alimenta el Tanque del Chicó, por medio de una estructura de regulación. El
tanque del Chicó tiene una capacidad de almacenamiento de 7000 m3 en dos partes, con una
altura de rebose de 7 m y un gradiente máximo de 2765 metros. (EAAB 2003)
Línea salida túnel los Rosales – Vitelma: Esta conducción se denomina Silencio –
Vitelma, comienza a la salida del tunel Lo Rosales con una estructura dividida dos ramales
de 42” cada uno y una línea de conducción de 6785 metros y un diámetro de 60” en acero.
Esta línea está instalada en el oriente de la ciudad, comenzando por los cerros orientales
hasta el funicular de Monserrate, pasando además por la zona urbano centro - oriental hasta
llegar al tanque de la planta Vitelma.
Línea Silencio – San Diego y silencio – Casablanca – Cazucá: La conducción tiene un
diámetro de 60” en su tramo inicial desde la salida del túnel lo Rosales hasta el tanque el
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silencio, consta de una estructura de control que permite la regulación del flujo de 42” por
cada ramal, la cual debe descargar en una cámara de cambio de condición, de flujo a
presión a flujo libre antes de entrar a los compartimentos de el tanque el silencio cuya
capacidad es de 30000 m3 en 5,8 mts de altura y un gradiente de 2753 metros. (EAAB
2003).
En el tanque del Silencio, la conducción se divide en dos ramales de los cuales uno conduce
el agua hacia el tanque de San Diego y el otro conduce el agua hasta en tanque de
Casablanca y Cazucá. El primer ramal es de 42” y el segundo en 48”. (EAAB 2003).
Aguas arriba del Tanque de almacenamiento de Casablanca, la conducción tiene una
derivación en 42” la cual conduce el agua hasta el tanque de Cazucá. El tanque de
Casablanca cuenta con dos compartimentos de 70000 m3 cada uno y una altura de 12
metros con un gradiente hidráulico de 2636 metros, y el tanque de Cazucá tiene 10000 m3
en dos compartimentos y 5,92 metros de altura con un gradiente hidráulico máximo de
2654.92 metros.
La conducción contiene un By Pass del tanque el silencio, el cual permite la operación de l
línea de Casablanca y Cazucá directamente con cabeza de presión desde la Planta Wiesner
y que el tanque no actúa como cámara de quiebre de presión (EAAB 2003).
Línea Microcentral Santa Ana – Tanque Suba: Esta línea de conducción permite llevar
el agua desde la planta Wiesner hasta el tanque de Suba, comenzando desde la microcentral
en Santa Ana y terminando en el Tanque, tiene un diámetro de 2.2 metros en su parte inicial
y final, ya que en su parte central en el tramo comprendido entre la carrera 11 y Avenida
Boyacá tiene un diámetro de 60”; consta a demás de una estructura de control para la
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regulación de flujo con ramales de 42”. El tanque tiene 90000 m3 de capacidad y una altura
de 8 metros y un gradiente hidráulico de 2640 metros, con el cual se abastecerá el servicio
de la zona Baja Norte, que se encuentra localizada entre las cotas 2560 y 2585 msnm, lo
cual ocasiona presiones de 75 metros de columna de agua, lo cual puede afectar las redes de
distribución y generar un rompimiento de las mismas. (EAAB 2003).
Líneas Nororientales: De la línea de conducción de la Salida Túnel Santa Bárbara –
Tanque Santa Ana, se desprende una tubería de 20” que alimenta las cadenas de bombeo
localizadas en los cerros nororientales de la Ciudad. Los tanques que se alimentan con esta
línea son los tanques de Nuevo de Usaquén, Tanque de Unicerros, Tanque Bosque de
Medina, Tanque Bosque de Pinos, Cadena de Bombeo Cerro Norte con entrega en Cerro
norte I, cadena de Saratama con entrega en Soratama I, cadena de bombeo coditos. Todas
las estructuras tienen estructuras de control de niveles y flujos (EAAB 2003).
Línea El Dorado – piedra Herrada y Piedra Herrada – La Fiscalía – Monteblanco:
Esta línea de conducción es la encargada de llevar a cabo la distribución de el agua
proveniente de la planta El Dorado, hacia piedra Herrada, la fiscalía y Monteblanco.
La conducción El Dorado hasta piedra Herrada tiene una longitud de 2405 metros, con un
diámetro de 28” la lo largo de un tramo 1472 metros y 24” en un tramo de 933 metros de
longitud, ambos tramos en hierro dúctil. El tanque El Dorado ubicado a la salida de la
planta tiene un volumen de almacenamiento de 6000 m3 con un gradiente de 2946 metros, y
el tanque de descarga en Piedra Herrada ubicada al final de la línea de conducción tiene un
volumen de 9000 m3 (EAAB 2003).
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La Línea Piedra Herrada – La Fiscalía – Monteblanco, comienza en el tanque de piedra
herrada con u gradiente de 2870 metros y tiene una longitud total hasta llegar a la Fiscalía
de 7329 metros hecha de Hierro dúctil, dividido en tramos de diferentes diámetros
divididos en tres tramos donde el primero tiene una longitud de 1036 metros y un diámetro
de 24”, el segundo una longitud de 6293 metros y 20” de diámetro, de esta línea se
desprende una derivación hacia el tanque de Monteblanco en 14” con una longitud de 493
metros. (EAAB 2003).
SISTEMA DE TRONCALES DE DISTRIBUCION
El sistema de troncales corresponde a las líneas de conducción matriz, las cuales son de
gran importancia en este estudio, ya que se pretende determinar el potencial de intrusión de
Materia Orgánica (Ácidos Fúlvicos y Húmicos) en los puntos de la red matriz como sitios
donde existen fisuras, o se presentan presiones negativas debido a la operación de
accesorios en el sistema, por esta razón es necesario conocer el sistema de las troncales de
distribución y su operación.
A continuación se presenta una descripción de este sistema:
Las líneas troncales de distribución matriz permiten alimentar el área aferente de una zona
específica de servicio (EAAB 2003), las cuales se localizan en las partes planas de la
ciudad, las cuales permiten la distribución de agua por gravedad hasta los sitio localizados
en las cotas 2700 msnm; gracias a que el 90 % de la ciudad se encuentra entre las cotas
2580 y 2700 msnm, se tiene en la red de distribución una presión dinámica para
condiciones de demanda máxima entre 15 m.c.a y 50 m.c.a. (EAAB 2003).
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Entre la redes principales del sistema se encuentran las salidas de Tibitoc, las cuales
corresponden a las líneas de 78” y 60”, las cuales se interconectan entre si para realizar una
redistribución de caudales y presiones provenientes de la planta. (EAAB 2003).
La red de 78” de diámetro que conduce desde Tibitoc hasta Casablanca, cruza por la sabana
de Bogotá pasando por Zipaquirá hasta los cerros de Ciudad Bolívar al sur de la ciudad, con
una línea paralela por la autopista norte hasta la calle 129, luego toma la Avenida Boyacá
terminando en el tanque de Casablanca en el barrio Jerusalén, con una longitud de 56 Kms,
la tubería es de concreto preesforzado con camisas de acero de 72” entre la zona de
aposentos hasta la calle 80 con avenida Boyacá (EAAB 2003). De esta línea de 78” se
derivan varias líneas matrices, las cuales son importantes en el proceso de distribución entre
las cuales se encuentran las siguientes:
• Línea de 16” de la calle 170
• Línea de 16” de la calle 183
• Línea de 24” al oriente de la autopista Norte entre Calle 190 y 125
• Línea de 24” de la calle 153 a los tanques de Suba
• Línea de 36” de Suba zona Baja
• Línea de 24” de la Calle 125ª
• Línea de 36” y 30” de la Av. Boyacá entre calles 125ª y Calle 80
• Línea de 24” de la calle 82
• Linea de 24” de la calle 80
• Línea de 16” de la calle 68
• Línea de 30” y 24” de la calle 66ª
• Línea de 24” de la calle 26”
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• Linea de 24” de la calle 22ª
• Línea de 16” de la calle 13
• Línea de 24” de a Avenida Villa Alsacia
• Línea de 24” y línea de 16” de la Avenida de las Américas
• Línea de 24” de la Avenida 1° de Mayo
• Línea de 16” de la transversal 58 o calle 39 sur
• Línea de 42” que alimenta la línea de 24” de la Av. Boyacá hacia el tunal y línea de
24” de la diagonal 43 sur
• Línea de 36” de la autopista Sur
• Línea de 24” y 16” de la autopista Sur
La red de 60” que conduce desde Tibitoc – Usaquén – Calle 80, viene paralela a la línea del
ferrocarril del Norte, y tiene una longitud de 37 Km. En La calle 110 con carrera 11. Esta
línea fue interconectada con al línea de 60” que proviene del tanque de Santa Ana, a través
de una estación reductora de presión en Usaquén. La tubería proveniente de Tibitoc es en
concreto reforzado y la proveniente de Santa Ana es de Acero (EAAB 2003).
La línea de 60” proveniente de Tibitoc, alimenta las líneas matrices de:
• Línea de 16” de la calle 170
• Línea de 24” de la calle 151
• Línea de 24” de la calle 119
Se interconectan con las líneas de 24” de la Av. 7ª entre calles 119 y 170; todas estas líneas
alimentan la zona denominada “Zona Baja Norte” la cual es la más grande de la ciudad.
En la calle 80, la línea de 60” Tibitoc – Usaquén, ya hace parte de la Zona de servicio
llamada Zona baja sur y se divide en dos redes matrices; una de 42” y otro de 36”.
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La línea de 42” tiene un corredor que pasa por los barrios Gaitán y San Fernando y después
pasa por la transversal 48, Av. 26 carrera 50 y Avenida 6ª, lugar en donde se conecta con la
línea de 36” proveniente también de la línea de 60”.
La línea de 36” se encuentra a través de la Avenida Ciudad de Quito desde la calle 80 hasta
la avenida 68, pasa por la carrera 36 hasta la avenida 44 sur, finalizando en el tanque de
Santa lucía. Entre sus derivaciones se encuentra:
• Línea de 24” de la calle 78
• Línea de 24” de la calle 45 que abastece al tanque Parque Nacional
• Línea de 16” de la calle 6ª hacia el oriente
• Línea de 24” de la calle 8 sur
• Línea de 24” de la Autopista Sur
Entre las líneas más importantes de la red matriz están la línea de 42” – 36” – 30” – 24”
Usaquén – Santa Fe – Santa Lucia, que alimentan la llamada “Zona intermedia y control
Santa Fe” (EAAB 2003).
La línea de 42” recorre la zona intermedia entre la calle 110 y calle 59 que recibe agua
proveniente del tanque de Santa Ana, a través de la estación reductora de Usaquén,
mientras la zona de servicio de Santa Fe, esta delimitada por la calle 59 y la zona de santa
Lucia, el agua de esta red proviene o se alimenta de el tanque de San Diego, a través de una
estación reductora de presión, donde además existe una derivación hacia en norte en 30”.
(EAAB 2003).
A partir de el tanque de San Diego se derivan dos líneas matrices; una de 24” (brazo norte)
y 42” (brazo sur) de la zona llamada San Diego. La línea de 24” tiene un corredor por la
calle 26 desde la avenida circunvalar hasta la carrera 5ª, donde se dirige al norte hasta el
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Parque Nacional, sitio donde se reduce a 16” para terminar en su punto de entrega en la
calle 47, esta línea es de Hierro fundido y es bastante antigua (EAAB 2003).
De la línea de 42” se abastece la zona centro de la ciudad, donde se abastecen las
principales instituciones gubernamentales de la ciudad y también en mayor complejo
hospitalario de la ciudad. Red es en concreto reforzado, el cual toma el corredor de la calle
26 hasta la carrera 5 donde toma la dirección sur y se abre en dos ramales uno de 24” y otro
de 42” (EAAB 2003).
Del tanque del Chicó se genera una línea de 20” de concreto reforzado, la cual tiene como
corredor la vía a la Calera, para tomar luego la avenida circunvalar en dirección sur hasta la
cale 76, donde a través de una estación controladora de presión finaliza su entrega en la
zona de servicio de Control Chicó. (EAAB 2003).
Para la distribución del agua que llega al tanque de Vitelma se derivan tres líneas a saber:
• Línea de 42”
• Línea de 24”
• Línea de 12” (no considerada dentro de la red Matriz).
Estas líneas de la red abastecen la zona de servicio denominada Gravedad Vitelma.
La línea de 42”, alimenta el sur de la zona de gravedad Vitelma, tiene una salida en 20” de
distribución de agua potables desde la planta de La Laguna hasta la carretera a Usme por la
carrera 27 Este, y desde la planta Vitelma hasta la zona de los barrios del Diana Turbay
(EAAB 2003); por otra parte la línea de 42” tiene un refuerzo llamado Vitelma –
Columnas, para suplir la demanda de los sistemas más grandes de Bombeo de la ciudad. La
línea distribuye el agua en la zona norte del servicio Vitelma.
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La línea de 24” que es de las más antiguas de la ciudad en concreto reforzado tiene su
corredor por los cerros orientales, en la franja aledaña a la Carrera 5 Este y Avenida
Circunvalar es su parte mas Norte, pasando por las estaciones o tanques de Lourdes, San
Diego y Egipto. (EAAB 2003)
El Tanque de Cazucá, que entrega agua al municipio de Soacha por medio de una línea de
42” la cual se reduce posteriormente a 30” hasta la autopista sur con calle 12, sitio en donde
se conecta con las líneas de 24” y 36” de la autopista Sur, para abastecer al municipio; de la
línea de 24” se desprende el bombeo de Santillana (EAAB 2003).
Existe además la línea de 20” Regadera Vitelma, que sirve a la zona de servicio La Laguna,
que puede ser abastecida desde la planta de El Dorado a través de el Tanque de Piedra
Herrada o desde Vitelma, invirtiendo el flujo desde la divisoria localizada en la Torre y en
la Aurora; esta línea cuenta con los tanques de El Uval Monteblanco. (EAAB 2003).
En la Figura 4. se puede observar un esquema general de la red de distribución de agua
potable de Bogotá, a partir de los deferentes tanque de abastecimiento, donde se almacena
el agua antes de ser distribuida en la ciudad.
IAMB 200510 08
44
Figura 4. Red Matriz de Distribución de Agua Potable de Bogotá
SISTEMAS DE BOMBEO
Los sistemas de bombeo son importantes dentro del sistema de abastecimiento de la ciudad,
ya que permiten llevar agua a las zonas que se encuentran por encima de la cota 2700
msnm y existe una población importante concentrada y se encuentran integradas a las redes
IAMB 200510 08
45
matrices. Por otra parte los sistemas de bombeo son puntos potenciales para la intrusión de
Material orgánico al sistema debido a que prender o apagar el sistema de bombeo se pueden
presentar condiciones de presiones negativas o menores las existentes en el suelo alrededor
de las tuberías, lo cual facilita el proceso de intrusión. Por esta razón se debe considerar los
sistemas de bombeo en este proyecto de grado y así determinar su efecto sobre la presencia
de M.O en la red del acueducto.
Existen algunas líneas de impulsión con diámetros menores a 6, 8, 10 y 12” que por su
importancia son consideradas dentro del sistema principal de conducción almacenamiento y
distribución (Velastegui 2002). A continuación se presenta una descripción de los sistemas
o cadenas de Bombeos que están integrados a la red matriz, los cuales son:
• Sistema de Bombeo Coditos
• Sistema de Cerro Norte y Soratama
• Sistema de Suba – Cantalejo
• Sistema de Unicerros
• Sistema de Pardo Rubio – Paraíso
• Sistema El Consuelo – San Dionisio
• Sistema Sur Oriental de Columnas – San Vicente – Alpes – Quindío – Juan Rey
• Sistema Ciudad Bolívar Jalisco – Volador – Quiba – Alpes
• Sistema Ciudad Bolívar Sector Jerusalén Sierra Morena I, II, III
• Sistema Quintares – Santillana – Julio Rincón
Sistema de Bombeo Coditos: Este sistema consta de tres puntos de operación, con un
cárcamo de succión y estación de bombeo en Codito I, un tanque de distribución y succión,
estación de Bombeo Codito II y un tanque de distribución en Codito II. Las líneas de
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impulsión del sistema son en PVC de 6” (Velastegui 2002). La alimentación para esta
cadena proviene de la línea de 60” de Tibitoc y una salida a la altura de la calle 183 por la
avenida 9 que conecta la línea de 12” para llevar el agua hasta el cárcamo de succión en
Codito I. (Velastegui 2002). En la tabla 1 se muestra la información correspondiente
volúmenes, alturas y características hidráulicas del sistema de bombeo.
Tabla 1. Sistema de Bombeo Coditos
Punto de
Operación
Volumen
(m3)
Altura
(m)
Gradiente
Max. (m)
No.
Bombas
Capacidad
bomba (mcd)
Cota max
de Servicio
Cota min.
De servicio
I 50 2.50 2610 3 5760 - -
II 850 3.50 2675 2 5040 2650 2600
III 1000 3.50 2756 - - 2700
Adaptado de Manual de Operación de la Red Matriz de Bogotá 2003
Sistema cerro Norte y Soratama: Este sistema esta conformado por dos cadenas de
operación, las cuales son alimentadas por un punto inicial el cual es un cárcamo de succión
y estación de Bombeo de cerro Norte I, que suministra caudal a la estación de Cerro Norte
II y la estación de Soratama I. La cadena de Cerro norte II, III, IV están conformados por
un tanque de distribución y succión, una estación de bombeo y Cerro norte V esta
conformada por un tanque de distribución en Cerro V. Las líneas de impulsión están
conformadas por tuberías de asbesto cemento de 10” para los tramos de Cerronorte I – IV y
está en tubería de 6” en asbesto para la parte comprendida entre Cerronorte IV – V.
La cadena de Soratama está compuesta por un tanque de distribución y succión con una
estación de bombeo o Soratama I y un tanque de distribución en Soratama II (EAAB 2003).
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Este sistema es alimentado por la línea de 24” de la Avenida 7ª la cual proviene de la línea
de 60” de Tibitoc – Usaquén. Las características hidráulicas se presentan en la tabla 2.
Tabla 2. Sistema de cerro Norte y Soratama
Punto de
Operación
Volumen
(m3)
Altura
(m)
Gradiente
Max. (m)
No.
Bombas
Capacidad
bomba (mcd)
Cota max
de Servicio
Cota min.
De servicio
Cerronorte I 132 3.00 2620 2-2* 1440- 4800* - -
Cerronorte
II
454 2.80 2730 2 3600 2700 2600
Cerronorte
III
291 2.80 2790 2 3600 2770 2700
Cerronorte
IV
479 3.5 2890 2 1248 2870 2770
Cerronorte
V
377 2.70 2990 - - 2970 2870
Soratama I 245 3.00 2746 2 1080 2725 2600
Soratama II 228 2.85 2864 - - 2850 2725
* Capacidad de Bombas de Cerronorte I hacia Soratama y Cerronorte II respectivamente. Adaptado de Manual de Operación de la Red Matriz de Bogotá 2003.
Sistema de Suba – Cantalejo: Este sistema contiene tres puntos principales de operación,
los cuales el cárcamo de succión y estación de Bombeo de Cantalejo, la cual lleva el agua
hasta los tanques de almacenamiento de Suba Medio y Suba Alto, el líneas de 12” de
diámetro. Este sistema es alimentado por la línea de 24” de la calle 153, la cual a su vez
proviene de la línea de 78” de Tibitoc – Casablanca. Las características hidráulicas del
IAMB 200510 08
48
sistema se encuentran en la tabla 3, donde se muestra los bombeos de Cantalejo, Suba
medio y suba Alto. (EAAB 2003)
Tabla 3. Sistema de Suba - Cantalejo
Punto de
Operación
Volumen
(m3)
Altura
(m)
Gradiente
Max. (m)
No.
Bombas
Capacidad
bomba (mcd)
Cota max
de Servicio
Cota min.
De servicio
Cantalejo - - 2634 3 7320 - -
Suba Medio 4000 4.91 2686 - - 2650 2600
Suba Alto 2000 4.00 2735 - - 2700 2650
* Sistema de Cantalejo a suba alto Adaptado de Manual de Operación de la Red Matriz de Bogotá 2003.
Sistema de Unicerros: Este sistema de bombeo consta de un cárcamo de succión, una
estación de bombeo que impulsa el agua a un tanque de distribución llamado Unicerros. La
línea de impulsión es de PVC de 6” el sistema de bombeo es alimentado por una línea
proveniente de Santa Ana. (EAAB 2003). Este sistema será alimentado por la línea expresa
de Nororientales.
Sistema de Pardo Rubio – Paraíso: Este sistema funciona teniendo como base al sistema
de Paraíso. Este sistema al igual que Pardo Rubio esta compuesto por un cárcamo de
succión y estación de bombeo para llegar a un tanque de distribución.
La impulsión entre Paraíso I y Paraíso II esta conformada por una tubería de 8” en PVC y
entre Paraíso II y III en 4” de PVC. La cadena de bombeo recibe el agua de la línea parque
San Diego, que a demás es alimentado por el tanque del silencio por gravedad.
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Las impulsiones de Pardo Rubio I a II y de II a III son en 4” de Asbesto cemento. Pardo
Rubio II se alimenta de Paraíso I por medio de una línea de conducción de 12”, y a la salida
posee una tubería de 6” para impulsar el agua a Pardo Rubio III. (Velastegui 2002). Las
características hidráulicas, volúmenes, capacidad y números de bombas se presentan en la
tabla 4.
Tabla 4. Sistema de Pardo Rubio - Paraíso
Punto de
Operación
Volumen
(m3)
Altura
(m)
Gradiente
Max. (m)
No.
Bombas
Capacidad
bomba (mcd)
Cota max
de Servicio
Cota min.
De servicio
Paraíso I 67 2.05 2685 2 240 - -
Paraíso II 900 2.80 2780 2 83 2700 2650
Paraíso III 300 3.00 2855 - - 2800 2750
Pardo Rubio
I
245 3.97 2674 - - - -
Pardo Rubio
II
153 3.40 2742 2 44 2700 2650
Pardo
Rubio III
91 2.38 2798 - - 2750 2700
Adaptado de Manual de Operación de la Red Matriz de Bogotá 2003.
Sistema El Consuelo – San Dionisio: El sistema de San Dionisio – El Consuelo, opera de
manera independiente con una estación de bombeo y un tanque de almacenamiento, ambos
bombeos se abastecen desde el tanque Vitelma. El sistema El Consuelo tiene una Línea de
Impulsión de 12” y la distribución a través de una tubería de 16”. (EAAB 2003).
La impulsión a San Dionisio, tiene un diseño de bombas en serie y un respaldo también en
serie dada la Cabeza de mas de 120 metros que existe entre el tanque y la estación. La línea
IAMB 200510 08
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de impulsión es en asbesto cemento de 12” de diámetro, la cual se divide para alimentar al
tanque San Dionisio y a la red de distribución del barrio Grancolombiano. La distribución
desde el tanque se realiza a través de una línea en 16” la cual se divide en dos tramos de
12” (EAAB 2003).
Sistema Sur Oriental de Columnas – San Vicente – Alpes – Quindío – Juan rey: Este
Sistema es el más grande de todos y es además el que cubre una mayor área de servicio.
Este sistema de operación consta de cinco puntos de operación, el primer punto es en
columnas, el cual cuenta con un tanque de succión, estación de Bombeo tanque de
distribución, el cual está interconectado con la estación de Bombeo de San Vicente, el
tanque de distribución y succión a cielo abierto de Los Alpes, los tanques de distribución y
la estación de bombeo de Quindío y además con los tanques de distribución de Juan Rey.
(EAAB 2003).
La estación de bombeo de Columnas cuenta con cinco unidades de bombeo, las cuales son
abastecidas por la zona de servicio de gravedad de Vitelma, y descarga a una línea de 24”
que va hasta los tanques de San Vicente (EAAB 2003). San Vicente esta constituido por
dos tanques, de los cuales sale una línea de distribución de 24” y para alimentar la zona de
La Victoria y los Barrios de Diana Turbay, del otro tanque se desprende una línea de 24” la
cual descarga en el tanque de Los Alpes. (EAAB 2003).
Sistema Ciudad Bolívar Jalisco – Castillo – Volador – Quiba – Alpes: El sistema esta
compuesto por cinco puntos de operación, los cuales comienzan el sistema de succión,
estación de bombeo y tanques de distribución de Jalisco, los cuales se encuentran
interconectados con la estación de Bombeo de Castillo, el tanque de distribución y succión
IAMB 200510 08
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de la estación de bombeo de Volador, los tanques de distribución y succión de la estación
de bombeo de Quiba y finalmente con el tanque de distribución de Alpes II. (EAAB 2003).
El tanque de Jalisco es Abastecido por la línea de 42” proveniente de Vitelma y la Línea de
24” que inicia en la Av. 1° de Mayo con Carrera 3Este, en esta parte el sistema opera a
condiciones de alta presión ya que proviene desde el Tanque de Vitelma, llegando a tener
en condiciones estáticas 90 m.c.a, por esta razón es posible llevar agua hasta el tanque de
el Castillo sin necesidad de Bombeo. (EAAB 2003). La línea de impulsión es de 24” y a la
salida cuenta con una derivación que se dirige hacia las zonas aledañas a Jalisco. A demás
se tiene dos salidas una de 12” y una de 16” para abastecer las subzonas de las Acacias y
Luceros (EAAB 2003).
Las tanques de impulsión y distribución, estación de bombeo de Castillo abastecen a el
Tanque del Volador nuevo, la línea de impulsión es de 16” y cuenta con dos líneas de
distribución en 12” para servir a La estrella y Compartir.
El tanque del Volador y su estación de bombeo abastecen a los Tanques de Quiba por
medio de una impulsión de 12” en tubería de Hierro dúctil. En Quiba el sistema tiene una
línea de impulsión de 3” en PVC, hasta el tanque de Los Alpes y una línea de 8” para
abastecer las zonas aledañas (EAAB 2003). En la tabla 5 se muestran los tanques y
estaciones de bombeo de este sistema.
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Tabla 5. Sistema de Bombeo ciudad Bolívar
Punto de
Operación
Volumen
(m3)
Altura
(m)
Gradiente
Max. (m)
No.
Bombas
Capacidad
bomba (mcd)
Cota max
de Servicio
Cota min.
De servicio
Jalisco
Nuevo
1900 3.55 2683 2 2160 2600 2080
Jalisco Viejo 3850 4.20 2683 1 1100 2600 2680
Castillo
nuevo
5150 5.10 2840 4 1083 2815 2675
Castillo
viejo
730 4.0 - - - 2710 2600
Volador 3850 4.38 2942 3 1090 2900 2800
Quiba 1100 5.00 3043 2 1045 3000 2900
Alpes II 10 4.00 3122 - - 3100 3000
Adaptado de Manual de Operación de la Red Matriz de Bogotá 2003.
Sistema Ciudad Bolívar Sector Jerusalén Sierra Morena I, II y III: El sistema esta
compuesto por una estación de Bombeo llamado Sierra Morena I, cuya succión es de 36” la
cual está conectada directamente a la línea de 78” proveniente de Tibitoc, que alimenta al
tanque de Casablanca, con lo cual se garantiza un gradiente Hidráulico suficiente para
llevar a cabo la impulsión hacia Sierra Morena II a través de una tubería de 30” (EAAB
2003). El sistema de impulsión de Sierra Morena II impulsa el agua hasta Sierra Morena III
por medio de una línea de 20”. El tanque de Sierra Morena III posee una línea de
distribución en 20” que se divide en dos ramales de 20” de los cuales uno tiene una salida
de 8” que alimenta el tanque de Santo Domingo y distribuye de agua a los altos de Cazucá.
(EAAB 2003).
IAMB 200510 08
53
Sistema Quintares – Santillana – Julio Rincón: Esta es una cadena de bombeo que esta
compuesta Por un cárcamo de succión y dos grupos de bombeo, uno de los cuales se
conecta al tanque de Santillana y el otro al tanque de Julio Rincón. El cárcamo es
alimentado por medio de una línea de 6” en PVC, la cual está conectada a la línea de 24” de
la autopista Sur. Las líneas de impulsión son de 4” y 6” hacia Santillana y Julio Rincón
respectivamente.
IAMB 200510 08
54
5. CUANTIFICACION DE INTRUSION DE M.O Para cuantificar la intrusión de M.O se ha basado en las ecuaciones propuestas por
Lechevalier y que se explica en la sección 3.2. A partir de estas ecuaciones se buscaron los
puntos críticos de la red en donde potencialmente puede ocurrir intrusión y sus respectivas
concentraciones.
La Modelación se dividió en las siguientes fases:
• Localización de los puntos donde potencialmente ocurre intrusión de M.O
• Establecimiento del tamaño de los orificios en la tubería la red matriz
• Cuantificación de intrusión de M.O
5.1 LOCALIZACION PUNTOS DONDE SE PRESENTA INTRUSION DE M.O
Para la localización de los puntos es necesario tener en cuenta los siguientes puntos (Hua
Wang et al 2003):
Condiciones de Transiente de Presión
Rupturas en la tubería las cuales generan pérdidas en la presión del sistema
Reparación sobre el sistema
En el caso de este trabajo se han tenido en cuenta las condiciones de transiente de presión y
los sitios de la red en donde se presentan pérdidas de presión o fugas de agua.
A partir de los puntos donde se presentan pérdidas de presión en la red matriz se
seleccionaron aquellos que se encuentran localizados cerca o en los sistemas de bombeo o a
válvulas de operación los cuales son susceptibles de presentar condiciones de transito de
presiones y por lo tanto susceptibles a intrusión
IAMB 200510 08
55
A continuación se presentan los puntos localizados donde potencialmente se puede
presentar intrusión de M.O:
Figura 5. Mapa de Localización de Puntos de Intrusión de M.O en la red Matriz del
Acueducto
En la Figura 5 se puede observar en color azul los puntos cercanos a los sitios de bombeo
que presentan perdidas de presión y que pueden presentar efectos de transiente de Presión,
en color púrpura se localiza un punto en donde a partir de la operación de una válvula y a la
existencia de una posible fuga de agua, puede ocurrir intrusión de M.O. En color rojo se
pueden observar algunos de los sitios de la red matriz del acueducto de Bogotá donde se
presentan perdidas de presión en el sistema. Estos puntos que se señalaron en color rojo, no
se tuvieron en cuenta para el cálculo del potencial de intrusión de M.O debido a que la
IAMB 200510 08
56
presión mínima que se puede llegar a presentar en la tubería debido a las fugas de agua en
el sistema o en un evento de transiente de presión no es menor que la presión externa al
sistema, lo cual implica que no es posible que ocurra este fenómeno de intrusión, es por
esta razón que estos puntos no se consideraron en el análisis de este trabajo a pesar de
presentar posiblemente fisuras en la tubería.
Tal como se mencionó anteriormente para e calculo del potencial de intrusión de M.O es
necesario determinar las condiciones de Transito de Presión, ya que aunque en algunos
puntos existan fugas o pérdidas de presión; la presión externa a la tubería debe ser mayor a
la presión interna, es por esta razón que se hace necesario determinar el transito de
presiones ocasionada por el efecto de Golpe de Ariete en los puntos cercanos a bombeos y a
válvulas de operación.
Para poder encontrar el transiente de presión se asumió lo siguiente:
Apagado/encendido instantáneo de las Bombas
Cierre instantáneo de Válvulas de operación
En la Tabla 6 se muestran los parámetros que se tomaron para el cálculo del golpe de Ariete
y su respectivo transito de presiones:
Tabla 6. Condiciones Para el cálculo de Golpe de Ariete en los Puntos de Potencial de Intrusión de M.O
Punto Presión
(M.C.A) Caudal
(l/s) Altura (msnm)
Diámetro (m)
Longitud (m)
1 39,79 112,84 2626,79 0,4064 2860 2 41,48 155,5 2624,48 0,3048 4611 3 44,7 843,6 2622,7 1,524 2855 4 25,3 291,5 2601,92 0,9144 3540 5 35,16 307,08 2594,55 0,9144 2110 6 31,1 163,79 2594,04 0,762 2298 7 37,6 160,01 2594,04 0,762 3668 8 29,16 66,60 2593,43 0,4064 4765 9 23,96 172,50 2595,95 0,762 1415 10 52,02 114,72 2635,02 0,6096 2691 11 43,09 24,62 2617,09 0,3048 2400
Adaptado de: Acosta pardo 2001
IAMB 200510 08
57
Los resultados de transito de presión se presentan a continuación:
Tabla 7. Transito de Presión (Efecto Golpe de Ariete) Punto Celeridad (m/s) Presión máxima
(M.C.A) Presión mínima
(M.C.A) Periodo golpe de
Ariete (s) 1 1213,72 96,09 -0,39 4,71 2 1167,49 81,3 -0,32 7,90 3 1201,56 116,82 -1,52 4,75 4 1196,18 60,29 -2,57 5,92 5 1175,762 94,74 -2,04 3,59 6 1152,152 67,51 -2,21 3,99 7 1207,234 77,79 -0,37 6,08 8 1222,65 71,25 -2,73 7,79 9 1203,964 52,99 -1,87 2,35 10 1238,764 101,75 -4,62 4,34 11 1263,461 86,55 -2,64 3,8
En la tabla 7 se puede observar como a través del efecto de golpe de Ariete se presentan
presiones negativas en los diferentes puntos de la red, lo cual genera intrusión en aquellas
tuberías donde se existen fisuras en la tubería. En el Anexo 1 se pueden observar las
gráficas de transito de presión para cada uno de los punto donde se presenta intrusión de
M.O; en el anexo se puede observar como en cambio de presión se presenta de manera
oscilatoria y este cambio es cada vez menor gracias a la disipación de energía originada
por la fricción en la tubería.
5.2 INTRUSION DE M.O
Para la obtención de las concentraciones de intrusión de M.O en la red se ha basado en el
modelo propuesto por Hua Wang (ver sección 3.2), en el cual se debe tener en cuenta el
caudal de intrusión, la diferencia de presión entre el exterior y el interior de la tubería y el
diámetro del orificio de ruptura.
Debido a que no se tienen disponibles datos o información sobre la concentración de M.O
presente en el suelo de Bogotá, se utilizaron datos típicos de concentraciones, así como
también de la presión externa a cada una de las tuberías donde se presenta intrusión.
IAMB 200510 08
58
Para poder cuantificar la de intrusión de M.O en cada punto el trabajo se dividió en dos
partes, la primera fue determinar el diámetro de los orificios en cada fisura el caudal de
intrusión y la segunda parte fue determinar la carga de M.O.
5.2.1 Determinación del Caudal de Intrusión
El cálculo de intrusión del caudal de intrusión es una parte muy importante en la intrusión
de M.O ya que permite determinar la cantidad de carga contaminante que esta ingresando al
sistema, y que en este caso puede reaccionar con el cloro residual presente y formar
subproductos como THMs y HAAs, tal como se mencionó anteriormente. Para determinar
el caudal de intrusión se encontró primero el diámetro de los orificios con base en la
siguiente ecuación (Wang 2003):
Qi = (Ciπ / 4)* Di2* (2g(∆H))0.5 (27)
Donde:
Qi = Caudal de fuga en la tubería (m3/s)
Ci = Coeficiente de descarga de orificio (adimensional)
Di = Diámetro del Orificio (m)
g = Aceleración de la gravedad (m/s2)
∆H = Cambio de Presión en el sistema (m)
IAMB 200510 08
59
En la Tabla 8 se muestran los resultados obtenidos para el diámetro de los orificios en cada
punto. El coeficiente de descarga que se utilizó es en de un orificio circular de 0,6.
El diámetro nominal de los orificios encontrados varía entre 7,63 mm y 47 mm, los cuales
se utilizaron para la obtención del caudal de intrusión junto con el cambio de presión que se
obtuvo a través de la simulación del efecto de Golpe de ariete en la sección 5.1 y que se
observan en la Tabla 7.
Tabla 8. Obtención Diámetro nominal de los Orificios
Determinación diametro orificio
Punto Delta presión (m) Q (m3/s) Diam orificio (m) Diam orificio (mm) 1 1,90 0,0003 0,010 10,36 2 3,20 0,0032 0,029 29,49 3 2,80 0,0002 0,008 7,63 4 1,40 0,0028 0,034 33,72 5 2,80 0,0015 0,021 20,54 6 4,00 0,0013 0,018 17,70 7 2,10 0,0067 0,047 47,42 8 1,40 0,0010 0,020 20,40 9 2,75 0,0077 0,047 47,21 10 2,35 0,0045 0,038 37,59 11 2,00 0,0002 0,009 8,91
Una vez determinado el diámetro de los orificios se calculó el caudal de intrusión utilizando
la ecuación de Hua Wang. Los supuestos que se utilizaron son los siguientes:
La presión externa a la tubería varía entre 0,1 y 0,2 m.c.a (ver Anexo 2), ya que el
nivel freático se encuentra en la mayoría de los casos por debajo del nivel de la
tubería.
La presión interna mínima se asume constante en el tiempo y no varia durante la
modelación.
Los orificios donde ocurre la intrusión son circulares.
IAMB 200510 08
60
Los resultados obtenidos del caudal de intrusión se observan en la figura 6, donde se
obtiene que el caudal de intrusión en los 11 puntos de calculo varían desde 0,16 l/s hasta
6,67 l/s, lo cual se debe a la diferencia de presión y al diámetro de orificio existente en cada
punto de intrusión.
El Caudal de intrusión puede llegar a generar un potencial de formación de subproductos
de la cloración como los THMs, lo cual depende de la carga total que esta ingresando al
sistema y a la concentración de cloro en esas zonas (Gang et al 2003).
Caudal de Intrusión
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Punto
Q (l
/s)
Q intrusión
Figura 6. Caudal de Intrusión de M.O a la red matriz
5.2.2 Determinación Concentración de M.O en los puntos de Intrusión Una vez determinado el caudal de intrusión a la red matriz, se puede determinar la carga de
M.O que ingresa al sistema, así como también el incremento en la concentración de M.O
presente en las tuberías donde se presenta la intrusión, lo cual es uno de los objetivos de
este trabajo.
La carga orgánica que es absorbida o introducida al sistema depende de la concentración de
Ácidos fúlvicos y húmicos expresados como DOC (Carbono Orgánico Disuelto) presente
IAMB 200510 08
61
en el suelo circundante a la tubería. Debido a que no existe información sobre la
concentración de DOC, se tomaron datos típicos encontrados en la literatura. De acuerdo a
W. Kördel et al 1997, la concentración de DOC en suelos varía entre 5 mg/l y 40 mg/l. Este
rango fue utilizado para encontrar la carga contaminante.
La obtención Matemática de M.O se desarrollo a partir de 3 escenarios, los cuales se
enuncian a continuación:
Concentración de M.O en el suelo es del promedio lineal del rango comprendido
entre 5 mg/l y 40 mg/l el cual es de 22,5 mg/l
Concentración de M.O en el suelo varía entre 5 y 25 mg/l
Concentración de M.O en el suelo Varia entre 25 y 40 mg/l
Estos supuesto se hicieron con base a que la mayoría de los puntos de intrusión se localizan
sobre los cerros orientales y tienen una composición similar en suelo y por lo tanto el rango
de 5 -40 mg/l puede ser muy alto. Por esta razón se optó por dividir en dos escenarios a
parte del promedio y así poder abarcar un mayor número de posibles combinaciones.
Tabla 9. Carga de Intrusión de M.O (concentración suelo de 22,5 mg/l)
Carga de M.O Punto Q (l/s) C (mg/l) W (mg/s)
1 0,17 22,5 3,93 2 1,38 22,5 31,11 3 0,16 22,5 3,62 4 3,93 22,5 88,34 5 1,34 22,5 30,07 6 1,02 22,5 22,97 7 3,54 22,5 79,56 8 1,51 22,5 34,04 9 6,67 22,5 150,18
10 6,46 22,5 145,29 11 0,28 22,5 6,35
El la tabla 9 se encuentran los resultados obtenidos de la carga contaminante de intrusión de
M.O al sistema de la red matriz del acueducto, para una concentración promedio en el suelo
existente a los alrededores de la tubería de 22,5 mg/l. En los resultados se puede ver como
IAMB 200510 08
62
los resultados varían desde 3,62 mg/s hasta 145,29 mg/s. Es importante resaltar que el
aumento en el potencial de formación de THMs se ve afectado no solo por la carga de
intrusión sino también por la M.O presente con anterioridad en el sistema. Es por la anterior
razón que se hace necesario encontrar la Concentración M.O en la red después de la
intrusión.
Debido a que no se conoce la concentración de M.O en cada uno de los puntos donde se
presenta intrusión de Materia orgánica, se calculó el incremento en la concentración final
en cada uno de los puntos y no la concentración final de M.O en la tubería.
Para el calculó de la Concentración de M.O en cada uno de los puntos de la red donde
ocurre intrusión se calculo a partir de la siguiente ecuación de balance de masa:
redredin CQWdtdc *+=∀ (28)
Donde:
dtdc
∀ = Cambio de concentración en el tiempo por volumen ( ∀ / dt es además caudal total)
Win = Carga de intrusión de M.O
Qred = Caudal en la tubería antes de la intrusión
Cred = Concentración de M.O en la red antes de la intrusión (mg/l)
A partir de la anterior ecuación y junto a los datos de carga de intrusión (tabla 9), se
asumió una concentración de M.O inicial de 0 mg/l con el fin de encontrar el incremento en
la concentración de M.O, los resultados se ilustran en la figura 7.
IAMB 200510 08
63
Incremento concentración de M.O (mg/l)
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Punto
conc
entr
ació
n (m
g/l)
Concentración de M.O (mg/l)
º
Figura 7. Incremento de Concentración de M.O en cada punto de intrusión (concentración en
el suelo 22,5 mg/l)
En la figura 7 se observa el incremento en la concentración de M.O en los diferentes puntos
donde ocurre intrusión de M.O debido a efectos de transiente de presión. El aumento en la
concentración de M.O varía entre 0.004 mg/l en el punto 3 hasta 1.20 mg/l en el punto 10,
lo cual implica que el efecto de intrusión es diferente en cada punto, generando por lo tanto
un potencial de formación de THMs distinto a partir de cada uno de los puntos donde
ocurre la intrusión.
En el Anexo 3a. se encuentra la tabla de resultados de incremento de intrusión de M.O
(∆IM.O),donde se observa que el incremento en la concentración de M.O no depende
solamente de la carga de intrusión, sino a demás del caudal de la tubería en el lugar donde
ocurre la intrusión, ya que por ejemplo en el punto 9 la carga de intrusión es mayor que en
el punto 10; 150 mg/l y 145 mg/l respectivamente, pero el incremento en la concentración
es mayor en el punto 10 (1,2 mg/l) que en el punto 9 (0,84 mg/l). De lo anterior se puede
deducir que a una mayor carga de intrusión no implica necesariamente un mayor efecto
sobre la fuente receptora, en este caso la red matriz del acueducto.
IAMB 200510 08
64
A continuación se presentan los resultados obtenidos para los escenarios restantes
supuestos para la concentración de ácidos fúlvicos y Húmicos en el suelo a los alrededores
de las tuberías de la red matriz donde ocurre intrusión.
Incremento concentración de M.O (mg/l)
0,000,100,200,300,400,500,600,700,800,901,00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Punto
conc
entr
ació
n (m
g/l)
Concentración de M.O (mg/l)
Figura 8. Incremento de Concentración de M.O en cada punto de intrusión (concentración en
el suelo 5 - 25 mg/l)
En la figura 8 se observa el incremento en la concentración de M.O en los diferentes puntos
donde ocurre intrusión. El aumento en la concentración de M.O varía entre 0.001 mg/l en el
punto 3 hasta 0.91 mg/l en el punto 10.
Incremento concentración de M.O (mg/l)
0,000,200,400,600,801,001,201,401,601,802,00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Punto
conc
entr
ació
n (m
g/l)
Concentración de M.O (mg/l)
Figura 9. Incremento de Concentración de M.O en cada punto de intrusión (concentración en
el suelo 25 - 40 mg/l)
IAMB 200510 08
65
En la figura 9 se observa el incremento en la concentración de M.O en los diferentes puntos
donde ocurre intrusión para un rango comprendido entre 25 mg/l y 40 mg/l. El aumento en
la concentración de M.O varía entre 0.01 mg/l en el punto 3 hasta 2.11 mg/l en el punto 10.
En la figura 10 se muestra una comparación entre los resultados de incremento de
concentración de M.O en cada escenario planteado. Esto permite establecer o verificar que
entre mayor sea la concentración de DOC en el suelo circundante a la tubería, mayor será el
incremento en la concentración final de la tubería después de la intrusión.
Se puede establecer a partir de los resultados para cada uno de los tres escenarios
planteados, un intervalo o rango de incremento de intrusión de M.O para cada uno de los
puntos donde se presenta intrusión. En la figura 10, se puede ver gráficamente el rango de
variación para cada uno de los puntos.
Incremento concentración de M.O
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80
2,00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Punto
conc
entr
ació
n (m
g/l)
22,5mg/l 5 - 25 mg/l 25 - 40 mg/l
Figura 10. Comparación resultados incremento de concentración de M.O para los
diferentes escenarios.
IAMB 200510 08
66
En la tabla 10 se encuentran los rangos de incremento de presión para los puntos donde se
presenta intrusión de M.O
Tabla 10. Resultado incremento de concentración de M.O mínima y máxima PUNTO Incremento mínimo (mg/l) Incremento máximo (mg/l)
1 0,01 0,06 2 0,04 0,35 3 0,001 0,008 4 0,07 0,53 5 0,02 0,17 6 0,03 0,25 7 0,11 0,86 8 0,11 0,89 9 0,19 1,49 10 0,27 2,13 11 0,06 0,45
De los resultados obtenidos, se obtienen las siguientes conclusiones:
• El incremento en la concentración de M.O máxima que se pueden encontrar en la
red matriz de distribución de agua potable de Bogotá oscilan en el siguiente rango;
0,008 mg/l (Punto 3) y 2,13 mg/l (Punto 10), siendo el incremento máximo más
probable 1,22 mg/l (basado en el promedio de concentración típica de M.O en
suelos).
• El incremento en la concentración de M.O mínimo que se pueden encontrar en la
red matriz de distribución de agua potable de Bogotá oscilan en el siguiente rango;
0,001 mg/l (Punto 3) y 0,27 mg/l (Punto 10), siendo el incremento mínimo más
probable 0,004 mg/l (basado en el promedio de concentración típica de M.O en
suelos).
• Se encontraron 11 puntos que potencialmente pueden presentar intrusión de Materia
Orgánica (conformada por ácidos húmicos y fúlvicos) debido a que presentan
pérdidas de presión y además se localizan cercanos a sistemas de bombeo, lo cual
IAMB 200510 08
67
los hace potencialmente susceptibles a presentar fenómenos de golpe de ariete y
por lo tanto presiones en el sistema negativas o muy pequeñas.
IAMB 200510 08
68
6. CONCLUSIONES
El caudal de intrusión de Materia Orgánica en los diferentes puntos de la ciudad donde
existen fisuras en la tubería dependen en gran medida del gradiente generado entre el
exterior de la tubería y el interior. Dado que la red Matriz se encuentra en su gran mayoría
por encima del nivel freático, la presión externa de agua sobre la tubería es pequeña, y es
por esta razón que el potencial de intrusión solo se presenta en sitios susceptibles a
cambios bruscos de presión causados por efectos de golpe de Ariete generados en la
operación de sistemas de bombeo y apertura y cierre de válvulas.
Debe tenerse en cuenta que la modelación se desarrolló sobre la red matriz, y por lo tanto,
en los sistemas internos de las diferentes localidades pueden existir zonas en donde la
tubería se encuentra mal estado lo cual puede favorecer un mayor potencial de intrusión de
M.O debido a que la presión interna es menor que en la red matriz, y además puede generar
un mayor impacto sobre la calidad del agua ya que por el volumen de caudal que
transporta tiene una menor capacidad de asimilación.
El modelo utilizado para calcular las concentraciones de Intrusión de M.O en la red está
basado en la concentración de M.O presente en el suelo de los lugares donde ocurre el
fenómeno de intrusión, estas concentraciones no se encuentran disponibles, razón por la
cual se hace necesario realizar muestreos es estos sitios para determinar estos valores y
poder obtener resultados más cercanos a los reales.
El fenómeno de intrusión de M.O puede generar un aumento en el potencial de formación
de subproductos de la cloración, junto con los problemas sobre la salud pública que
implican cada uno de estos.
Se encontró que las zonas donde ocurre intrusión se encuentran en las zonas aledañas a los
cerros orientales debido a su cercanía con los sistemas de bombeo que abastecen a esta
parte de la ciudad, y que además están expuestos a tiempos largos de residencia en los
IAMB 200510 08
69
tanques de almacenamiento que allí se encuentran incrementando el tiempo de reacción de
la M.O con otros compuestos presentes en el agua.
Los puntos que presentaron la mayor intrusión de M.O son los puntos 9 y 10 localizados en
la parte sur de la ciudad lo cual implica que las zonas más vulnerables a tener problemas en
la calidad del agua a causa de materia Orgánica son las localidades de Rafael Uribe y Bosa.
Se pueden adoptar medidas para el control y mitigación de intrusión de M.O a la red matriz
a partir de un correcto y adecuado mantenimiento de de las tuberías evitando que presenten
fisuras, especialmente en los sitios donde potencialmente puede presentarse este fenómeno.
IAMB 200510 08
70
7. BIBLIOGRAFIA
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Ingeniería Civil) - Universidad de los Andes. 2004
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Kogevinasa / J.O. Grimalt. Paginas 50 – 53. 2000
IAMB 200510 08
73
8. INDICE DE TABLAS Y FIGURAS
8.1 INDICE DE TABLAS
PAG.
Tabla 1. Sistema de Bombeo Coditos 46
Tabla 2. Sistema de cerro Norte y Soratama 47
Tabla 3. Sistema de Suba – Cantalejo 48
Tabla 4. Sistema de Pardo Rubio – Paraíso 49
Tabla 5. Sistema de Bombeo ciudad Bolívar 52
Tabla 6. Condiciones Para el cálculo de Golpe de Ariete en los Puntos de Potencial de
Intrusión de M.O 56
Tabla 7. Transito de Presión (Efecto Golpe de Ariete) 57
Tabla 8. Obtención Diámetro nominal de los Orificios 59
Tabla 9. Carga de Intrusión de M.O (concentración suelo de 22,5 mg/l) 61
Tabla 10. Resultado incremento de concentración de M.O mínima y máxima 66
IAMB 200510 08
74
8.2 INDICE DE FIGURAS
PAG.
Figura 1a. Modelo estructural de Los ácidos Fúlvicos 12
Figura 1b. Modelo estructural de Los ácidos Húmicos 12
Figura 2. Balance De masa para un Volumen de Control 16
Figura 3. Ejemplo Transiente de Presión 22
Figura 4. Red Matriz de Distribución de Agua Potable de Bogotá 44
Figura 5. Mapa de Localización de Puntos de Intrusión de M.O en la red
Matriz del Acueducto 55
Figura 6. Caudal de Intrusión de M.O a la red matriz 60
Figura 7. Incremento de Concentración de M.O en los puntos de intrusión
(concentración en el suelo 22,5 mg/l) 63
Figura 8. Incremento de Concentración de M.O en los puntos de intrusión
(concentración en el suelo 5 - 25 mg/l) 64
Figura 9. Incremento de Concentración de M.O en los punto de intrusión
(concentración en el suelo 25 - 40 mg/l) 64
Figura 10. Comparación resultados incremento de concentración de M.O
para los diferentes escenarios. 65
IAMB 200510 08
75
ANEXOS
IAMB 200510 08
76
ANEXO 1. Gráficas de Transito de Presión Para los Puntos de Intrusión de M.O
Transiente de Presion 1
-5
15
35
55
75
95
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Tiempo (s)
Pres
ión
(MC
A)
Transiente de Presion 2
-5
15
35
55
75
95
-4 6 16 26 36 46 56
Tiempo (s)
Pres
ión
(MC
A)
IAMB 200510 08
77
Transiente de Presion 3
-5
15
35
55
75
95
115
0 10 20 30 40 50
Tiempo (s)
Pres
ión
(MC
A)
Transiente de Presion 4
-5
5
15
25
35
45
55
65
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Tiempo (s)
Pres
ión
(MC
A)
Transiente de Presion 5
-5
15
35
55
75
95
-4 6 16 26 36 46 56
Tiempo (s)
Pres
ión
(MC
A)
IAMB 200510 08
78
Transiente de Presion 6
-55
1525354555657585
0 10 20 30 40 50
Tiempo (s)
Pres
ión
(MC
A)
Transiente de Presion 7
-5
5
15
25
35
45
55
65
75
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Tiempo (s)
Pres
ión
(MC
A)
Transiente de Presion 8
-5
5
15
25
35
45
55
65
75
-4 6 16 26 36 46 56
Tiempo (s)
Pres
ión
(MC
A)
IAMB 200510 08
79
Transiente de Presion 9
-5
5
15
25
35
45
55
0 10 20 30 40 50
Tiempo (s)
Pres
ión
(MC
A)
Transiente de Presion 10
-5
15
35
55
75
95
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Tiempo (s)
Pres
ión
(MC
A)
Transiente de Presion 11
-55
1525354555657585
0 10 20 30 40 50
Tiempo (s)
Pres
ión
(MC
A)
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80
ANEXO 2. Tabla de resultados. Caudal de Intrusión
Caudal de Intrusión (transiente)
Punto Diam orificio (m) H externo (m) H interno (m) Q (m3/s) Q (l/s) 1 0,010 0,221 -0,39 0,0002 0,17 2 0,029 0,260 -0,32 0,0014 1,38 3 0,008 0,226 -1,52 0,0002 0,16 4 0,034 0,164 -2,57 0,0039 3,93 5 0,021 0,262 -2,04 0,0013 1,34 6 0,018 0,226 -2,21 0,0010 1,02 7 0,047 0,195 -0,37 0,0035 3,54 8 0,020 0,300 -2,73 0,0015 1,51 9 0,047 0,193 -1,87 0,0067 6,67
10 0,038 0,171 -4,62 0,0065 6,46 11 0,009 0,260 -2,64 0,0003 0,28
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ANEXO 3a. Tabla de resultados incremento de Intrusión de M.O para concentración en suelo de 22,5 mg/l
Carga de M.O Conc.en el sistema M.O Punto Q (l/s) C (mg/l) W (mg/s) Q Red (l/s) Conc. M.O (mg/l)
1 0,17 22,5 3,93 112,84 0,03 2 1,38 22,5 31,11 155,50 0,20 3 0,16 22,5 3,62 843,60 0,004 4 3,93 22,5 88,34 291,50 0,30 5 1,34 22,5 30,07 307,09 0,10 6 1,02 22,5 22,97 163,79 0,14 7 3,54 22,5 79,56 160,01 0,49 8 1,51 22,5 34,04 66,60 0,50 9 6,67 22,5 150,18 172,50 0,84 10 6,46 22,5 145,29 114,72 1,20 11 0,28 22,5 6,35 24,62 0,26
ANEXO 3b. Tabla de resultados incremento de Intrusión de M.O para concentración en suelo entre 5 mg/l – 25 mg/l
M.O en la red después de la intrusión Punto Q Red (l/s) M.O (mg/l)
1 112,84 0,02 2 155,5 0,16 3 843,6 0,00 4 291,5 0,13 5 307,09 0,06 6 163,79 0,13 7 160,01 0,47 8 66,6 0,13 9 172,5 0,91
10 114,72 0,83 11 24,62 0,23
ANEXO 3b. Tabla de resultados incremento de Intrusión de M.O para concentración en suelo entre 25 mg/l – 40 mg/l
M.O en la red después de la intrusión Punto Q Red (l/s) M.O (mg/l)
1 112,84 0,06 2 155,5 0,23 3 843,6 0,01 4 291,5 0,33 5 307,09 0,13 6 163,79 0,24 7 160,01 0,54 8 66,6 0,79 9 172,5 1,09
10 114,72 2,11 11 24,62 0,30
