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María Alejandra Peñuela Cortes Proyecto de Grado en Ingeniería Civil (ICIV 201120-30) I
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Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueducto y Alcantarillados.
Determinación de reglas de operación (restricciones) de redes de distribución de agua potable con
el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
Determinación de reglas de operación (restricciones)
de redes de distribución de agua potable con el fin
de lograr una operación sin posibilidad de
desprendimiento de Bio-películas
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Determinación de reglas de operación (restricciones) de redes de distribución de agua potable con
el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
AGRADECIMIENTOS
El desarrollo de este proyecto de grado fue posible gracias a la asesoría del Ingeniero Juan
Saldarriaga quien me guió en la investigación, análisis realizados y en la redacción del
documento. Adicionalmente quiero agradecer a las personas del CIACUA y en especial a
Diego Páez quien me orientóen el proceso investigativo. Por otra parte quiero agradecer a
mi familia, María Teresa Cortes, Álvaro Peñuela, Juan Pablo Peñuela y María Camila
Peñuela, pues fueron ellos quienes me permitieron llegar a este momento de mi vida
profesional y finalmente a Sebastián Sandino quien me ha acompañado en todo el proceso
de desarrollo de este documento, siendo mi apoyo permanente.
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el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 1
1.1. Importancia del Estudio de las Biopelículas ........................................................................... 1
1.2. Programas para el Análisis ..................................................................................................... 2
1.3. Objetivos ................................................................................................................................ 3
1.3.1. Objetivo General .............................................................................................................. 3
1.3.2. Objetivos Específicos ....................................................................................................... 3
2. ANTECEDENTES ...................................................................................................................... 5
3. MARCO TEÓRICO ................................................................................................................... 7
3.1. Las Biopelículas ...................................................................................................................... 7
3.1.1. Composición de las Biopelículas ...................................................................................... 7
3.1.2. Estructura de las Biopelículas .......................................................................................... 9
3.2. Aspectos Hidráulicos Involucrados en el Desprendimiento de la Biopelícula ..................... 11
3.2.1. Interacción del Flujo con la Pared de la Tubería ........................................................... 11
3.2.2. Velocidad del Flujo en las Tuberías ............................................................................... 12
3.2.3. Esfuerzo Cortante en la Pared de las Tuberías .............................................................. 13
3.2.4. Perdidas por Fricción ..................................................................................................... 14
3.2.5. Cambio en la Dirección del Flujo al interior de las Tuberías ......................................... 15
3.3. Programa de Lavado ............................................................................................................ 16
3.3.1. Introducción al Programa de Lavado ............................................................................. 16
3.3.2. Operación del Programa ................................................................................................ 17
3.3.2.1. Las Velocidades Mínimas y Máximas ............................................................................ 17
3.3.2.2. Presión Mínima .............................................................................................................. 18
3.3.2.3. Válvulas .......................................................................................................................... 18
3.3.2.4. Hidrantes ....................................................................................................................... 18
3.3.2.5. Nivel de Aproximación ................................................................................................... 19
3.3.2.6. Función Objetivo ............................................................................................................ 19
3.3.2.7. Influencia ....................................................................................................................... 20
3.3.2.8. Reporte de Lavado ......................................................................................................... 20
4. METODOLOGÍA Y RESULTADOS .......................................................................................... 22
4.1. Software Utilizado para la Modelación ................................................................................ 22
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4.2. La Red R-28 ........................................................................................................................... 22
4.2.1. Caso 1............................................................................................................................. 24
4.2.2. Caso 2............................................................................................................................. 24
4.2.3. Caso 3............................................................................................................................. 25
4.2.4. Caso 4............................................................................................................................. 25
4.2.5. Caso 5............................................................................................................................. 26
4.3. Metodología de Análisis ....................................................................................................... 26
4.4. Resultados ............................................................................................................................ 30
4.4.1. Prueba 1 ......................................................................................................................... 30
4.4.1.1. Caso 1............................................................................................................................. 31
4.4.1.2. Caso 2............................................................................................................................. 32
4.4.1.3. Caso 3............................................................................................................................. 33
4.4.1.4. Caso 4............................................................................................................................. 34
4.4.1.5. Caso 5............................................................................................................................. 35
4.4.2. Prueba 2 ......................................................................................................................... 37
4.4.2.1. Caso 1............................................................................................................................. 37
4.4.2.2. Caso 2............................................................................................................................. 38
4.4.2.3. Caso 3............................................................................................................................. 39
4.4.2.4. Caso 4............................................................................................................................. 41
4.4.2.5. Caso 5............................................................................................................................. 42
4.4.3. Prueba 3 ......................................................................................................................... 44
4.4.3.1. Caso 1............................................................................................................................. 44
4.4.3.2. Caso 2............................................................................................................................. 45
4.4.3.3. Caso 3............................................................................................................................. 46
4.4.3.4. Caso 4............................................................................................................................. 47
4.4.3.5. Caso 5............................................................................................................................. 48
4.4.4. Prueba 4 ......................................................................................................................... 49
4.4.4.1. Caso 1............................................................................................................................. 49
4.4.4.2. Caso 2............................................................................................................................. 50
4.4.4.3. Caso 3............................................................................................................................. 52
4.4.4.4. Caso 4............................................................................................................................. 53
4.4.4.5. Caso 5............................................................................................................................. 54
4.4.5. Comparación de las Pruebas 1, 2, 3 y 4 ......................................................................... 56
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................................................. 58
6. BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 61
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1.Tuberías con desprendimiento de biopelícula en el Caso 1 de la Prueba 1.
31
Tabla 2.Tuberías con desprendimiento de biopelícula en el Caso 2 de la Prueba 1.
33
Tabla 3.Tuberías con desprendimiento de biopelícula en el Caso 3 de la Prueba 1.
34
Tabla 4.Tuberías con desprendimiento de biopelícula en el Caso 4 de la Prueba 1.
34
Tabla 5.Tuberías con desprendimiento de biopelícula en el Caso 5 de la Prueba 1.
35
Tabla 6.Tuberías con desprendimiento de biopelícula en el Caso 1 de la Prueba 2.
37
Tabla 7.Tuberías con desprendimiento de biopelícula en el Caso 2 de la Prueba 2.
38
Tabla 8.Tuberías con desprendimiento de biopelícula en el Caso 3 de la Prueba 2.
40
Tabla 9.Tuberías con desprendimiento de biopelícula en el Caso 4 de la Prueba 2.
41
Tabla 10.Tuberías con desprendimiento de biopelícula en el Caso 5 de la Prueba 2.
43
Tabla 11.Tuberías con desprendimiento de biopelícula en el Caso 1 de la Prueba 3.
44
Tabla 12.Tuberías con desprendimiento de biopelícula en el Caso 2 de la Prueba 3.
45
Tabla 13.Tuberías con desprendimiento de biopelícula en el Caso 3 de la Prueba 3.
46
Tabla 14.Tuberías con desprendimiento de biopelícula en el Caso 4 de la Prueba 3.
47
Tabla 15.Tuberías con desprendimiento de biopelícula en el Caso 5 de la Prueba 3.
48
Tabla 16.Tuberías con desprendimiento de biopelícula en el Caso 1 de la Prueba 4.
50
Tabla 17.Tuberías con desprendimiento de biopelícula en el Caso 2 de la Prueba 4.
51
Tabla 18.Tuberías con desprendimiento de biopelícula en el Caso 3 de la Prueba 4.
52
Tabla 19.Tuberías con desprendimiento de biopelícula en el Caso 4 de la Prueba 4.
53
Tabla 20.Tuberías con desprendimiento de biopelícula en el Caso 5 de la Prueba 4.
55
Tabla 21.Matriz del número de tuberías afectadas por desprendimiento de biopelícula en los
diferentes casos de las pruebas realizadas.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1.Tres etapas de formación de la biopelícula.
10
Figura 2.Diagrama del Comportamiento de la Capa Límite en una tubería.
12
Figura 3.Desprendimiento de la Biopelícula.
15
Figura 4.Opción para modificar los rangos de velocidad de las tuberías.
17
Figura 5.Opción para modificar los Hidrantes en la Red.
19
Figura 6.Reporte de Lavado.
21
Figura 7.Red R-28 original sin modificaciones.
23
Figura 8.Red R-28 sin las Tuberías 16 y 33.
24
Figura 9.Red R-28 sin la Tubería 23.
24
Figura 10.Red R-28 sin la Tubería 25.
25
Figura 11.Red R-28 sin la Tubería 2.
25
Figura 12.Red R-28 sin la Tubería 46.
26
Figura 13.Procedimiento utilizado para observar los casos de desprendimiento de Biopelícula en
las diferentes pruebas.
29
Figura 14.Error Caso 1 de la Prueba 1 para 5 tuberías evaluadas.
31
Figura 15.Reporte de Lavado para el Caso 1 de la Prueba 1 para 4 tuberías evaluadas.
32
Figura 16.Error del Programa de Lavado por Presiones Negativas.
33
Figura 17.Reporte de Lavado para el Caso 4 de la Prueba 1.
35
Figura 18.Reporte de Lavado para el Caso 4 de la Prueba 1.
36
Figura 19.Reporte de Lavado para el Caso 1 de la Prueba 2.
37
Figura 20.Error del Programa de Lavado.
38
Figura21.Reporte de Lavado para el Caso 2 de la Prueba 2.
39
Figura22.Reporte de Lavado para el Caso 3 de la Prueba 2.
41
Figura23.Reporte de Lavado para el Caso 4 de la Prueba 2.
42
Figura24.Reporte de Lavado para el Caso 5 de la Prueba 2.
43
Figura25.Reporte de Lavado para el Caso 1 de la Prueba 3.
45
Figura 26.Error del Programa de Lavado.
46
Figura 27.Reporte de Lavado para el Caso 3 de la Prueba 3.
47
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Figura 28.Reporte de Lavado para el Caso 4 de la Prueba 3.
48
Figura 29.Reporte de Lavado para el Caso 5 de la Prueba 3.
49
Figura 30.Reporte de Lavado para el Caso 1 de la Prueba 4.
50
Figura 31.Reporte de Lavado para el Caso 2 de la Prueba 4.
52
Figura 32.Reporte de Lavado para el Caso 3 de la Prueba 4.
53
Figura 33.Reporte de Lavado para el Caso 4 de la Prueba 4.
54
Figura 34.Reporte de Lavado para el Caso 5 de la Prueba 4.
55
Figura 35.Curva de tuberías Afectadas para cada caso en las diferentes Pruebas.
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el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
1. INTRODUCCIÓN.
1.1 Importancia del Estudio de las Biopelículas
La población mundial ha determinado estándares de condiciones químicas y microbiológicas para
determinar los casos en los cuales el agua puede ser considerada potable o contaminada. Para
cada parámetro medido en el agua se han determinado diferentes rangos los cuales indican la
calidad del agua de consumo. Estos parámetros son medidos en las salidas de las plantas de
tratamiento de agua potable que surten las redes de distribución que alimentan las poblaciones.
Anteriormente se consideraba que cumplir con los parámetros de calidad a las salidas de las
plantas de tratamiento de agua potable (PTAP), así como la adición de un desinfectante, era
suficiente para entregar agua de buena calidad a los usuarios de las redes de distribución; sin
embargo estudios relativamente recientes demostraron que variables hidráulicas y componentes
del agua son la causa de la creación de colonias de bacterias al interior de las tuberías que
comprenden las redes. Esto demuestra que una gran cantidad de microorganismos son capaces
de soportar condiciones inhóspitas en las cuales se manejan ambientes de temperaturas
extremas, oxígeno reducido y nutrientes reducidos.
Gracias a estudios realizados en las redes de distribución de agua potable (RDAP), se ha
demostrado que los microorganismos que se presentan en estas son capaces de asociarse de tal
forma que encuentran beneficio propio en el desarrollo de su colonia; esto es visible en las
Biopelículas ya que al interior de ellas se encuentran condiciones aptas para el desarrollo
bacteriano, ya que se crean ecosistemas adecuados para que estos organismos se desarrollen y
adicionalmente se reproduzcan.
Dentro de las Biopelículas normalmente no se encuentran organismos tóxicos o causantes de
enfermedades dentro de las colonias, sin embargo se ha demostrado que la presencia de
biopelícula en las tuberías permite que en el caso de que en la red se introduzca un organismo
patógeno, este encuentre condiciones aptas para su supervivencia. Adicionalmente en los casos
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que se ha registrado desprendimiento de biopelícula se han presentado rechazos del recurso
debido a la presencia de olores y sabores desagradables en el agua.
Los organismos patógenos que posiblemente se presenten al interior de las redes de distribución
pueden ingresar de diferentes maneras; entre ellas se encuentran las partículas de turbiedad que
sobrepasan los filtros de las PTAP, partículas de carbón activado provenientes de los filtros,
uniones o tuberías rotas, presencia de presiones negativas en la red, las cuales causan ingreso de
aguas contaminadas, entre otras razones (Gelves& Saldarriaga. 2005).
Las Biopelículas son grupos de microorganismos ordenados que se asocian entre ellos y la pared
de la tubería con una sustancia que ellos mismos segregan. Estas biopelículas que se forman en la
pared interior están compuesta por una serie de bacterias que aunque no suelen ser patógenas,
existe un porcentaje de ellas que si pueda serlo (Gamarra& Saldarriaga. 2004). Por esta razón es
objetivo de este proyecto determinar los casos en los cuales un cambio en la operación hidráulica
de las redes de distribución puede ser el causante de que estos organismos lleguen al consumidor
final.
Se ha demostrado en experimentos de laboratorio que existen condiciones bajo las cuales la
biopelícula se desarrolla en mayor cantidad y por lo tanto en mayores espesores de la capa; estas
condiciones están determinadas por la velocidad al interior de la tubería y por lo tanto por el
esfuerzo cortante que allí se desarrolla. Las condiciones mencionadas anteriormente permiten
determinar reglas de operación bajo las cuales las biopelículas deben ser operadas para evitar
que en estas se presente un episodio de desprendimiento de biopelícula en los casos en los que
se desarrolla un cambio de operación en las RDAP debido a posibles mantenimientos o daños en
las redes.
1.2 Programas para el análisis
Para el desarrollo de este proyecto fue necesario el uso de herramientas de programación en
redes de distribución de agua potable que permitieran observar las condiciones hidráulicas que se
presentaban al interior de las tuberías, para de esta forma determinar cuáles eran las variables
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el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
que se presentaban al generar algún cambió en la operación de las redes de distribución. La
herramienta REDES fue empleada en el desarrollo de la información de esta tesis para lograr
observar los diferentes casos de análisis; este programa fue desarrollado en el Centro de
Investigaciones en Acueducto y Alcantarillados (CIACUA) del departamento de Ingeniería Civil y
Ambiental de la Universidad de los Andes.
En el programa REDES a inicios del año 2011, fue desarrollada una herramienta que permite
operar las redes bajo diferentes restricciones en cuanto a la velocidad promedio que se genera al
interior de cada una de las tuberías; esta herramienta se llamó“LAVADO” y de igual forma fue
desarrollada en el CIACUA.
1.3 Objetivos.
1.3.1. Objetivo General.
El objetivo de esta tesis es analizar y determinar la forma de operación de las redes de
distribución, para evitar que el receptor del sistema tenga contacto con las biopelículas presentes
a lo largo del sistema de acueducto.
1.3.2. Objetivos Específicos.
Los objetivos específicos pretenden exponer los principales resultados que se pretenden obtener
al realizar este proyecto. Adicionalmente presentan los contenidos principales que se observarán
a lo largo del documento.
Realizar un estado del arte sobre las condiciones que se presentan para el
desprendimiento de biopelículas
Realizar un análisis sobre el programa de Lavado en el que se permita entender su forma
de operación, aplicaciones e implementación.
Determinar las reglas de operación bajo las cuales se debe operar una red para evitar
desprendimiento de la biopelícula.
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Comparar los resultados obtenidos frente a las condiciones hidráulicas en los diferentes
escenarios de operación de la Red.
Evaluar los resultados obtenidos en el programa de Lavado, indicando los casos en el cual
el programa es útil para evitar el desprendimiento de biopelícula en las RDAP.
Contribuir a las formas de operación en las redes de distribución, para evitar el contacto
del usuario final con las biopelículas formadas en los casos de mantenimiento o daño de
alguna o varias tuberías de la red.
Redactar un documento de Tesis en el cual se vean reflejados todos los objetivos
anteriormente expuestos de una forma clara.
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2.
ANTECEDENTES
El estudio de las biopelículas en las redes de distribución ha adquirido una gran relevancia con el
tiempo; esto se debe a que las biopelículas pueden considerarse como un “vector” entre los
organismos patógenos y los usuarios de una RDAP. Esta preocupación está expuesta ya que se
sabe que la biopelícula se presenta en cualquier caso que el agua este en contacto con una
superficie y que es un conjunto de microorganismos que se agrupan en una superficie gracias a
una sustancia que ellos mismos segregan.
Teniendo en cuenta la definición de biopelícula, se debe tener en cuenta a su vez, que de la
misma forma que esta se agrupa y compacta en contacto con una tubería, también existen
aspectos de la operación hidráulica que causan su desprendimiento o en el caso contrario un
mayor crecimiento de esta. Por las razones expuestas anteriormente se tendrán en cuenta
estudios investigativos realizados anteriormente, los cuales permitirán avanzar en el tema de este
proyecto y entender de mejor manera lo que sucede al interior de las tuberías. Estos estudios
previos son:
Rothstein, E.G. &Takahshi, S. (2011). Planeación de lavado unidireccional en redes de
distribución de agua: Una aproximación. Bogotá: Universidad de los Andes. Facultad de
Ingeniería. Departamento de Ingeniería de Sistemas y Computación.
El Ingeniero Rothstein desarrolla mediante este proyecto un programa para ejecutar lavados en
las redes de distribución de agua potable bajo diferentes requerimientos definidos por los
usuarios del mismo. Este programa se encuentra introducidoen el software REDES que ha sido
elaborado en el CIACUA anteriormente. El programa de Lavado permite evaluar las tuberías
afectadas en los casos en los cuales se altera la RDAP, de esta manera el programa se pretende
utilizar para el proyecto de estudio realizando observaciones de los casos en los cuales se genera
un desprendimiento de la biopelícula debido al cierre de una o mas tuberías.
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Muñoz, L.F, Saldarriaga, J.G. (2005). Velocidad de desprendimiento de las biopelículas en
tuberías de distribución de agua potable. Bogotá: Universidad de los Andes. Facultad de
Ingeniería. Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental.
Este documento presenta un análisis teórico de los conceptos relacionados con el crecimiento,
desarrollo y métodos control de las biopelículas. De igual forma el proyecto desarrolla un
montaje, el cual permite comparar la parte teórica desarrollada con la parte práctica ejecutada en
el laboratorio. Este estudio permitió obtener información de interés para el análisis del estado
del arte sobre las biopelículas (formación, consecuencias en la salud y posibles causas de
desprendimiento de la misma).
Informe de Producto 5. Estudio, investigación sobre los factores que generan la
formación, crecimiento y posterior desprendimiento de biopelículas en las redes matrices
de acueducto debido a la composición fisicoquímica y microbiológica del agua potable y
selección de una metodología de recolección de muestras de biopelículas de acuerdo al
estado del arte nacional e internacional. Fase I. (2009). Bogotá: Universidad de los Andes.
Facultad de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. Centro de
Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados- CIACUA.
Este informe realizado en la universidad de los Andes durante el 2009 realiza un análisis profundo
de las causas por las cuales se genera la formación, crecimiento y desprendimiento de la
biopelícula en las redes matrices. De esta manera este estudio permitió entender de manera
precisa las causas por las cuales se generaba el desprendimiento de la biopelícula bajo diferentes
eventos en la red matriz de Bogotá, ya que se evaluaban diferentes casos en los cuales se
manifestaba presencia de biopelícula por parte de los usuarios en diferentes escenarios en los
cuales se generaron cierres de una o más tuberías.
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el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
3.
MARCO TEÓRICO.
3.1. Las Biopelículas
Las biopelículasse definen como una capa de microorganismos en un ambiente acuático, los
cuales se encuentran unidos en una matriz polimérica con apariencia de limo, la cual
generalmente se encuentra fija a un sustrato como puede ser las paredes internas de las tuberías
o depósitos de sedimentos (Gelves, M.F. & Saldarriaga, J.G. 2005). En la actualidad existen
muchas definiciones para las biopelículas; sin embargo todas coinciden en una misma cosa y es
que son un conjunto de microorganismos unidos a una superficie en contacto con el agua por una
sustancia que ellos mismos segregan.
3.1.1. Composición de las Biopelículas
Según las definiciones obtenidas para biopelícula se puede suponer que estas son estructuras
complejas en las cuales se puede encontrar una gran variedad de microorganismos de diferentes
especies que interactuan entre si para lograr formar comunidades resistentes a los diferentes
factores ambientales (temperaturas variables, velocidades variables, fuerzas cortantes, entre
otros) que se les presentan en el medio y adicionalmente les permite crear interacciones e
intercambio genético.
El informe realizado en el CIACUA sobre“investigación sobre los factores que generan la
formación, crecimiento y posterior desprendimiento de biopelículas” incluye un estudio
exhaustivo sobre artículos presentados en diferentes revistas científicas (aproximadamente 100
publicaciones); en este estudio mencionado se logró encontrar que aproximadamente 335
microorganismos encontrados en las redes de distribución son de alto riesgo para la salud
pública, de estos 119 son bacterias patógenas, 131 son bacterias ambientales, 13 son hongos y
levaduras, 15 son virus, 12 son protozoos y 4 son cianobacterias, el resto de los microorganismos
encontrados son desconocidos.
A continuación se realizara una descripción general de algunos de los organismos patógenos que
es posible encontrar al interior de las biopelículas(Hernández, M.X & Saldarriaga, J.G. 2010):
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Bacterias
Como se mencionó anteriormente dentro de los microorganismos encontrados dentro de las
biopelículas o en las redes de distribución de agua potable es posible hallar una gran cantidad de
bacterías nocivas para la salud humana; dentro de esta sección se mencionaran algunas de estas
cuales corresponden las principales bacterias que corresponden a patogenos intestinales, algunos
otros patógenos de bacterias oportunistas. A continuación se mencionan brevemente cada uno
de los organismos:
Escherichia Coli: Es una bacteria anaerobia que comunmente se encuentra en el tracto
gastrointestinal de los seres humanos, por esta razón es la bacteria que comunmente se
encuentra en las heces de humanos y algunos animales y por lo tanto es un indicador de materia
fecal en el agua.
Campylobacter Jejuni: Estos organismos toleran bajas concentraciones de oxígeno y altas
temperaturas, por estas razónes toleran muy bien las condiciones a las que son sometidas al
interior de las biopelículas. Son los principales causantes de gastroenteritis en seres humanos.
Helicobacter Pylori: Esta especie es la causante de enfermedades tales como la gastritis y la úlcera
pépticas en los seres humanos; según esto el habitat natural de estos organismos es el estómago
humano, por lo que se considera que su vía de adquisición es oral y se incia en un ciclo oral-fecal.
Pseudomonas Aeruginosa:Esta bacteria en contacto con los seres humanos puede generar daños
en el tracto pulmonar, el tracto urinario, en los tejidos o infecciones sanguineas.Se encuentra
clasificada como oportunista ya que en los casos en los que se adhiere a la biopelícula disminuye
la cantidad de E.Coli y esta se reproduce con mayor rapidez.
Legionella Pneumophila: Esta bactería se encentra relacionada con el agua en su estado natural.
Es la causante de la legionelósis que causa la neumonía.
Vibrio Cholerae:Organismos anaerobios y son los causantes de la cólera.
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el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
Hongos
La relación existente entre la presencia de hongos y levaduras con problemas en la salud pública
aun no se ha demostrado; es por esto que no se le ha prestado mayor atención a estudios
relacionados con estos organismos. Algunos estudios han demostrado que eventos relacionados
con olores y sabores desagradables se encuentran relacionados con estos microorganismos
presentes en el agua. Estudios adicionales mostraron como algunos de los hongos encontrados
eran peligrosos para la salud humana.
Virus y Protozoos
Los virus son organismos que requieren de un hospedero (humanos o bacterias) para su
supervivencia, por lo tanto estos se acumulan en la biopelícula pero no se reproducen. Algunos
de los virus que es posible encontrar dentro de las biopelículas son los poliovirus (responsables de
la poliomelitis), coxsackievirus (causantes de enfermedades respirtatorias superiores), echovirus
(causantes de enfermedades respirtatorias superiores), rotavirus (causantes de gastroenteritis),
Hepatitis A, Hepatitis E, astrovirus (causantes de gastroenteritis), entre otros.
Los protozoos son organismos altamente resistentes a desinfectantes como el cloro;
adicionalmente se ha demostrado que se adhieren facilmente a las biopelículas y de esta misma
forma se desprenden fácilmente. Dentro de los protozoos encontrados dentro de las redes de
distribución se encuentran la Giardia lamblia (causante de gastroenteritis), Cryptosporidium
parvum (gastroenteritis), acanyhamoeba (causante de infecciones en los ojos), entre otros.
3.1.2. Estructura de las Biopelículas
En el momento en el cual se inicia la colonización de las tuberías por parte de los
microorganismos, estos deben lograr por medio de fibras llamadas glicocalix adherirse a la
superficie; estas fibras se extienden a través de la membrana celular y son capaces de adherirse a
la superfice o a otros microorganismos que se encuentren junto a ellas, logrando de esta forma
que factores tales como el movimiento del fluido o la fuerza cortante no las desprenda de la
superficie de la cual estan adheridas (Gelves & Saldarriaga 2005). La formación de biopelículas se
encuentra dividida en tres etapas principales las cuales se enumeran a continuación (Figura 1):
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Primera Etapa: La primera etapa corresponde al acondicionamiento de la superficie, en esta etapa
compuestos orgánicos presentes en el agua entran en contacto con la superficie de la tubería y la
neutralizan permitiendo a los primeros microorganismos adherirse a esta; adicionalmente esta
capa es utilizada como alimento para los primeros organismos.
Segunda Etapa: La segunda etapa corresponde a la colonización de la superficie; en esta etapa los
primeros organismos que se han adherido a la pared han formado una estructura que permite a
las bacterias que se presentan libres en el agua adherirse de una manera más sencilla,
brindándoles el ambiente óptimo para resistir las condiciones del ambiente en la pared de la
superficie. Es importante mencionar que estos microorganismos pueden resistir en estas zonas de
las tuberías debido a la subcapa laminar presente que se explicará más adelante.
Tercera Etapa: La tercera y última etapa que se presenta en la composición de la tubería
corresponde a la etapa de crecimiento. En esta etapa ya se presenta un ambiente idóneo para
que los microorganismos puedan iniciar su reproducción de tal forma que subsitan entre ellos y
resistan las condiciones del medio.
Figura 1. Tres etapas de formación de la biopelícula (Hernández & Saldarriaga, 2010).
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3.2. Aspectos Hidráulicos involucrados en el Desprendimiento de la Biopelículas.
Como se mencionó anteriormente existen condiciones hidráulicas que determinan la capacidad
de creación de biopelícula; estas condiciones hidráulicas se encuentran determinadas por la
velocidad al interior de la tubería, el esfuerzo cortante y finalmente el tiempo de residencia en la
red. Sin embargo se ha determinado que bajo cualquier condición de operación en la red existirá
biopelícula, el cambio que se observa es que a mayor velocidad existe un menor espesor de la
capa presente.
Al determinar que bajo cualquier condición de operación se generará biopelícula, es posible crear
una condiciones determinadas que permitan a los operadores saber en qué caso es posible que
se dé un episodio de desprendimiento de la biopelícula. Por esta razón es necesario tener en
cuenta las mismas variables hidráulicas que se tienen en cuenta para la generación de biopelícula
y adicionalmente tener en cuenta los casos en los cuales se presenta cambio en la dirección del
flujo al interior de algunas tuberías de la red. En esta sección se expondrán todas las condiciones
hidráulicas que se deben tener en cuenta para determinar unas reglas de operación para evitar el
desprendimiento de la biopelícula.
3.2.1. Interacciones del Flujo con la Pared de la Tubería
Con el fin de entender un poco más la interacción que existe entre las biopelículas y las
condiciones hidráulicas de operación, se realizará una explicación breve de la interacción del flujo
con la pared de la tubería. Ludwig Prandtl, científico alemán estableció que “Siempre que un
fluido en movimiento interactúa con una pared sólida, el esfuerzo cortante que se genera afecta
principalmente una zona de dicho flujo”; a esta zona se le llamó la Capa Límite, la cual puede ser
laminar o turbulenta (Saldarriaga, 2007).
Subcapa Laminar Viscosa: La subcapa laminar viscosa se presenta cuando el flujo es turbulento
debido a que la superficie sólida impide que cerca de ella ocurran vibraciones de forma libre; esta
se denomina viscosa debido a que en esta capa priman las fuerzas viscosas sobre las inerciales.
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Figura 2. Diagrama del Comportamiento de la Capa Límite en una tubería (Saldarriaga, 2007).
La subcapa laminar viscosa se encuentra determinada por parámetros tales como la viscosidad
cinemática y la velocidad de flujo en la tubería:
𝛿 =
11.6 ∙ 𝑣
𝑣
∗
[1]
donde𝛿 es el espesor de la subcapa laminar viscosa (L), 𝑣 es la viscosidad cinemática del agua a
cierta temperatura (L
2
T
-1
) y 𝑣
∗
es la velocidad del flujo (LT
-1
).
3.2.2. Velocidad de Flujo en las Tuberías
La velocidad promedio del fluido al interior de las tuberías se encuentra determinada por la
cantidad de agua que atraviesa la tubería (Caudal) y el área transversal de dicha tubería. La
ecuación que determina esta variable es:
𝑉 =
𝑄
𝐴
[2]
donde V es la velocidad de Flujo en la tubería (LT
-1
), Q es el caudal promedio en el interior (L
3
T
-1
) y
A es el área transversal de la tubería (L
2
).
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La velocidad de flujo es determinante para el crecimiento de biopelícula; sin embargo estudios
han demostrado que altas velocidades no previenen la formación de biopelículas, pero si
determinan su espesor, esto se debe a que la teoría de la capa límite establece que el agua fluye
lentamente en las cercanías de la pared de las tuberías hasta llegar a cero en la pared; esta zona
se denomina la subcapa laminar y se considera que el espesor de la biopelícula se encontrará
determinado por el espesor de esta capa (Muñoz & Saldarriaga (2005).
Estudios han demostrado que en los momentos en los que se presenta cambio de operación en
las RDAP existen factores que causan el desprendimiento de la biopelícula; dentro de estos
factores se encuentra los relacionados con la velocidad del flujo y estos a su vez, se encuentran
determinados por (Antoun et al. 1999& Informe de Producto 5. 2009):
El aumento en más del 50% de la velocidad en las tuberías.
Aumento en la velocidad por encima de 1,5 m/s o más.
3.2.3. Esfuerzo Cortante en la pared de las tuberías
En las tuberías existe un esfuerzo que se genera a raíz de la interacción del flujo en movimiento
con la pared sólida de la tubería; para conocer esta fuerza es necesario conocer la caída de la
altura piezométrica(hf) ya que existe una relación directa entre ellas; adicional a esto es necesario
tener conocimiento de la relación entre el área mojada y el perímetro (rH) y la longitud de la
tubería. Por lo tanto al conocer los parámetros anteriores, es posible seguir adelante con el
esfuerzo cortante que se define como:
𝜏
𝑤
= 𝑟𝐻 ×
𝜌∙𝑔∙𝑓
2𝐿
[3]
donde ρ corresponde a la densidad del agua a cierta temperatura (ML
3
) y g es la gravedad de la
tierra (LS
-2
).
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3.2.4. Pérdidas por Fricción
Para calcular las pérdidas por fricción que se registran en el sistema se utiliza la ecuación
obtenida por Darcy – Weisbach, en la cual se tienen en cuenta parámetros como la longitud de la
tubería, la velocidad, el diámetro, el tipo de fluido y el tipo de material de la tubería. Por esta
razón la ecuación solo tienen en cuenta las pérdidas en la pared de la tubería y aquellas dadas por
la viscosidad del fluido la ecuación utilizada y resultante de los estudios de Henry Darcy y
JuliusWeisbach es:
𝑓 = 𝑓
𝐿
𝐷
𝑉
2
2𝑔
[4]
donde L es la longitud de la tubería (L), V es la velocidad del fluido dentro de la tubería (LT
-1
), D es
el diámetro de la tubería (L), g es la gravedad de la tierra que para este caso se tomó como 9,8
m/s
2
. Por otro lado esta f que corresponde al factor de fricción y es calculado por EPANET con la
misma ecuación derivada de los análisis de Darcy – Weisbach, está definido como:
𝑓 = 𝛼 +
𝛽
𝑉
∙ 6
[5]
donde 𝜷 y 𝜶 son coeficientes de fricción que varían según el diámetro y el material de la tubería
(Saldarriaga, 2007).
Lo anterior pone en evidencia que al variar los caudales en las redes se produce una mayor
velocidad al interior de algunas tuberías y por lo tanto esto causara un mayor esfuerzo en la
biopelícula. Este esfuerzo ha sido según estudios anteriores una de las mayores causas de
desprendimiento de la biopelícula en las RDAP, ya que una gran variación en el esfuerzo cortante
durante un intervalo corto de tiempo puede causar una gran desestabilización de la biopelícula
(Informe de Producto 5. 2009).
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3.2.5. Cambio en la Dirección del Flujo al Interior de las Tuberías
Las biopelículas se forman durante diferentes etapas (Figura 1). En estas existe una etapa de
constitución de la primera capa de la biopelícula, la cual consiste en los primeros
microorganismos que se adhieren a la pared de la tubería y empiezan a segregar la sustancia que
se encarga de mantenerlas rígidas dentro de la subcapa laminar. La segunda etapa corresponde a
la colonización de nuevos microorganismos en la capa que ya se ha iniciado. Como tercer y último
paso se presenta la etapa de crecimiento en el cual las bacterias ya adheridas empiezan su
crecimiento y reproducción, aumentando el área superficial colonizada.
Teniendo en cuenta las tres etapas descritas anteriormente se puede determinar que en la
tercera etapa las biopelículas ya cuentan con una estructura sólida que les permite permanecer
adheridas a las paredes de la tubería evitando desprendimiento bajo condiciones normales de
operación. Sin embargo se ha demostrado bajo estudios experimentales que las biopelículas
desarrollan su estructura para resistir en contacto con la pared bajo una dirección del flujo ya que
permiten el paso del caudal sin presentar inconvenientes en su estructura; de esta forma al crear
un cambio en la dirección del flujo se genera desprendimiento de la biopelícula (Figura 3) ya que
su estructura no se encuentra configurada para soportar esfuerzos en otra dirección.
Figura 3. Desprendimiento de la Biopelícula (Gelves, M.F & Saldarriaga, J.G. 2005).
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3.3. Programa de Lavado
3.3.1. Introducción al Programa de Lavado
El programa de lavado fue desarrollado por el ingeniero de sistemas y computación Eric Gerard
Rothstein Morris, durante el 2011, como su tesis de maestría. El Ingeniero Rothstein realizó el
algoritmo para el lavado debido que pretendía determinar la existencia de un plan de lavado para
una RDAP y de esta manera indicar como se implementaría esta herramienta en el campo.
El mecanismo de lavado que se tuvo en cuenta para la elaboración del programa, consistió en
aumentar las velocidades al interior de las tuberías mediante dos mecanismos: Abrir un hidrante
para generar una diferencia de presión, aumentando la velocidad en los tubos vecinos a operar
de tal forma que se abran hidrantes y se operen válvulas para lograr las velocidades que se
requieren para obtener un lavado eficiente en las tuberías a lavar.
En el lavado de tuberías tienen diferentes conceptos para la manera en que se opera el lavado en
las tuberías, para los casos mencionados anteriormente se tienen en cuenta:
Flushing: Es el mecanismo de lavado que únicamente utiliza hidrantes para generar aumento de
velocidades en las tuberías cercanas al hidrante. Este mecanismo de lavado es sencillo, pero en
algunos casos el abrir un hidrante de ciertas condiciones no consigue alcanzar las velocidades
requeridas para realizar el lavado.
UnidirectionalFlushing: Este mecanismo de lavado consiste en operar válvulas e hidrantes
simultáneamente para conseguir realizar el lavado manteniendo rangos de velocidades en
algunas tuberías.
De esta manera para lograr operar una RDAP de tal forma que se realice el lavado en las tuberías
que se desea, se debería conocer que hidrantes abrir y que válvulas operar; sin embargo
determinar que válvulas operar no es una tarea sencilla ya que abrir o cerrar una válvula no
garantiza que las tuberías cercanas cambien su velocidad, en muchos casos las tuberías que
cambian la velocidad son lejanas a la válvula. El programa de Lavado consigue determinar en
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quéforma operar la red sin realizar innumerables veces prueba y error para saber cómo realizar el
lavado en una red operando válvulas.
3.3.2. Operación del Programa
El programa de Lavado opera al interior del programa REDES; esta herramienta permite operar un
lavado dada una RDAP, la cual debe contar con un conjunto de tuberías, nodos, hidrantes,
válvulas y deberá encontrarse configurada para operar bajo condiciones normales.
Adicionalmente el programa tiene un conjunto de restricciones que podrán causar que el
programa no funcioneen caso de que estas no cumplan. Llas restricciones son:
3.3.2.1. Las Velocidades Mínimas y Máximas
Cuando se pretende realizar el lavado el programa permitirá modificar el rango de velocidades en
cada una de las tuberías en las que se pretende realizar el lavado (Figura 4). Se deberán
establecer la velocidad mínima y máxima que se pretende manejar dentro de una tubería; sin
embargo si se consideran rangos de velocidades que el programa no puede operar mediante las
válvulas, demandas, hidrantes y demás consideraciones, el programa arrojara un error el cual
indica que bajo ningún escenario es posible que se cumpla ese rango de velocidades considerado.
Figura 4. Opción para modificar los rangos de velocidad de las tuberías (Programa Lavado).
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3.3.2.2. Presión Mínima
La red deberá cumplir con una presión mínima para asegurar que en todos los nodos se esté
cumpliendo con la demanda exigida; en el caso de que la red no esté cumpliendo con las
presiones mínimas el programa de Lavado tampoco operará. La presión mínima que se introduce
en el programa es de cero para garantizar que esto se cumpla en caso de que la red no presente
presiones negativas antes de realizar el lavado.
3.3.2.3. Válvulas
La red que se introduzca para realizar el lavado deberá contar con un mínimo de tuberías para
que sea factible realizar el lavado; esto se debe a que en el caso de que no existan válvulas las
limitaciones para lograr que el programa funcione se reducen a una probabilidad muy pequeña.
La apertura de las válvulas se define para permitir que en campo el personal pueda saber que
tanto abrir o cerrar las válvulas, de tal forma que el dato sea preciso. Los intervalos de apertura
de las válvulas son restringidos a fracciones sencillas de reproducir en campo; de esta forma las
posibilidades de apertura de las válvulas corresponden a cero (0) totalmente cerrada o uno (1)
totalmente abierta.
3.3.2.4. Hidrantes
La operación de hidrantes ayuda a que la probabilidad de que el programa funcione garantizando
el lavado en las tuberías sea mayor, sin embargo la ausencia de hidrantes no significa que el
programa no se pueda operar. Los hidrantes son modelados como nodos con exponente y
coeficiente de emisión; en caso de que el coeficiente del emisor se encuentre en cero quiere decir
que no existe hidrante en esa sección.
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Figura 5. Opción para modificar los Hidrantes en la Red (Programa Lavado).
3.3.2.5. Nivel de Aproximación
La aproximación define el valor del parámetro de aproximación, el cual indica la calidad de la
solución que se encontrará como resultado. Al aumentar la aproximación se aumenta el número
de escenarios que serán evaluados para encontrar una solución, por esta razón el tiempo que se
tardará el programa en conseguir una respuesta aumentará, sobre todo en los casos de redes
complejas y robustas. Es importante mencionar que el programa no funciona bajo una
aproximación del 100%, pues se genera un error en el espacio de memoria de REDES.
3.3.2.6. Función Objetivo
La función objetivo con la cual cuenta el programa actualmente consiste en que el algoritmo de
aproximación trabaja con las suma de velocidades en los tubos a lavar; sin embargo si se quisiera
encontrar una solución exacta con un 100% de aproximación, el programa no se consideraría
eficiente ya que tomaría una cantidad exponencial de tiempo en encontrar una solución, que
adicionalmente se incrementaría en caso de utilizar el programa en una RDAP robusta.
En el programa se ha desarrollado un algoritmo de aproximación que debe encontrar en un
tiempo polinomial una configuración que encuentre resultados similares a los de la solución
exacta (Rubio, D.P. 2011);para estos se ha diseñado un valor de influencia el cual se explicarámás
adelante. La solución óptima entonces corresponderá a aquella que se aproxime más a la exacta
(Donde la exacta corresponde a la solución si todas las tuberías a lavar lograran la velocidad más
alta del rango introducido por el usuario), contemplando un error que corresponde a la
aproximación introducida por el usuario.
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3.3.2.7. Influencia
La influencia es el indicador de la afectación que una configuración de una RDAP tiene sobre el
programa. Para calcular el valor de la influencia es necesario calcular el valor de la influencia
como uno más las velocidades de los tubos a lavar; en caso de que la velocidad de alguna de las
tuberías supere la velocidad máxima el valor de la influencia sería −∞ (Rubio, D.P. 2011).
𝐼 = 1 + 𝑉
1
𝑉
2
… … . . 𝑉
𝑛
[6]
donde V
1
, V
2
,V
n
son las velocidades para las tuberías 1, 2, n respectivamente, n es el número de
tuberías de la red y finalmente 𝐼 es el valor de influencia.
Esto quiere decir que para cada configuración el programa encontrará un valor de influencia el
cual representará un valor; al realizar una nueva configuración se encontrará un nuevo valor de
influencia el cual será comparado con el anterior y deberán diferir con un máximo de error
establecido por el usuario (aproximación). Si los valores de influencia cumplen con la
aproximación el programa habrá encontrado su solución objetivo la cual corresponderá a la
función que mayor valor de influencia tenga.
3.3.2.8. Reporte de Lavado
En los casos en los que el programa logra encontrar una solución para las solicitudes realizadas
por el usuario, este entrega un reporte de lavado en el cual se indica de qué manera operar la
redpara poder realizar el lavado en las tuberías solicitadas. En este reporte se obtienen datos
importantes para realizarlos en campo tales como:
Velocidades finales alcanzadas en los tubos a lavar.
Tubos que aumentan o disminuyen su velocidad por más de un factor de 1,5.
Los tubos en los que el flujo cambia de dirección, debido al cambio de presiones.
Válvulas a abrir o cerrar.
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En la Figura 6 se observa un reporte de lavado típico obtenido al lavar una o varias tuberías de
una red R-28.La red R-28 es una red desarrollada en el CIACUA para desarrollar investigaciones
hidráulicas en relación con lo que sucede dentro de las redes de distribución.
Figura 6. Reporte de Lavado red R-28 (Programa Lavado).
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4. METODOLOGÍA Y RESULTADOS.
4.1. Software Utilizado para la Modelación
Para el desarrollo de este proyecto fue necesario el uso de herramientas de programación en
redes de distribución de agua potable que permitieran observar las condiciones hidráulicas que se
presentaban al interior de las tuberías, para de esta forma determinar cuáles eran las variables
que se presentaban al generar algún cambió en la operación de las redes de distribución. La
herramienta REDES fue empleada en el desarrollo de la información de esta tesis para lograr
observar los diferentes casos de análisis; este programa fue desarrollado en el Centro de
Investigaciones en Acueducto y Alcantarillados (CIACUA) del Departamento de Ingeniería Civil y
Ambiental de la Universidad de los Andes.
EL programa REDES es una herramienta amigable con el usuario que permite observar todas las
condiciones de la red; de esta forma el usuario puede conocer fácilmente las condiciones
hidráulicas de las tuberías, tales como diámetro, velocidad, pérdidas menores, entre otros, los
nudos de la red en los cuales se pueden conocer sus demandas, cabeza piezométrica, entre otros,
los embalses de los cuales se puede conocer su altura piezométrica y finalmente las válvulas de
las cuales se conoce el diámetro y su estado. De esta forma el programa permite determinar
fácilmente las condiciones hidráulicas de interés para este proyecto.
En el programa REDES a inicios del año 2011, fue desarrollada una herramienta que permite
operar las redes bajo diferentes restricciones en cuanto a la velocidad promedio que se genera al
interior de cada una de las tuberías; esta herramienta fue desarrollada en el CIACUA y se llamó
“LAVADO”. Esta herramienta de programación será indispensable para el desarrollo de este
proyecto, ya que permitirá observar bajo qué casos se genera desprendimiento de biopelícula al
cerrar una o más tuberías de una red cualquiera.
4.2. La Red R-28
La red R-28 es una red desarrollada en el CIACUA para desarrollar investigaciones hidráulicas en
relación con lo que sucede dentro de las redes de distribución. La red que se utilizó en este
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proyecto es la R-28 con algunas modificaciones específicas en cuanto a la ubicación de las
válvulas; esta configuración específica fue desarrollada por Eric Rothstein para su tesis
“Planeación de lavado unidireccional en redes de distribución de agua: Una aproximación”.
La red R-28 cuenta con 68 tuberías de diferentes diámetros y longitudes, 39 nudos con diferentes
demandas y alturas igual a cero, 1 válvulas de diámetros idénticos y 1 válvula de diámetro
diferente, 1 embalse ubicado 15 metros por encima el resto de los nudos de la red. En la figura 7
se presenta una imagen de la R-28 en las condiciones mencionadas anteriormente.
Figura 7. Red R-28 original sin modificaciones
Para poder observar las variaciones y posible desprendimiento de las biopelículas que ocurre en
una red de distribución de agua potable en los casos que existe cierre de alguna(s) tubería(s)
debido a daño o mantenimiento de las mismas, se eliminaron tuberías aleatoriamente en la red
simulando lo que sucedería en campo en estos casos específicos.
Se realizaron 5 pruebas de tuberías ubicadas en diferentes puntos de la red; para esto se observó
las variaciones en diferentes escenarios al eliminar las tuberías. Adicionalmente se observó lo que
sucedía en los casos que la demanda era reducida a un 50, 30 10% de la demanda original que
tenía la red. Los 5 diferentes casos analizados en la red se presentan a continuación:
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4.2.1. Caso 1
En este ensayo se eliminaron 2 tuberías lejanas entre sí de la red; estas tuberías fueron la 16 y la
33. En la Figura 8 se ilustra la configuración de la red R-28 para este caso.
Figura 8. Red R-28 sin las Tuberías 16 y 33.
4.2.2. Caso 2
En el caso 2 se eliminó 1 tuberías; esta tubería fue la 23. En la Figura 9 se ilustra la configuración
de la red R-28 para este caso.
Figura 9. Red R-28 sin la Tubería 23.
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Determinación de reglas de operación (restricciones) de redes de distribución de agua potable con
el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
4.2.3. Caso 3
En este ensayo se eliminó una tubería; esta tubería fue la 25. En la Figura 10 se presenta la
configuración final de la red R-28 para este caso.
Figura 10. Red R-28 sin la Tubería 25.
4.2.4. Caso 4
Para el caso numeró 4 se eliminó la tubería 2. En la Figura 11 se ilustra la configuración de la red
R-28 para este caso.
Figura 11. Red R-28 sin la Tubería 2.
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el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
4.2.5. Caso 5
En este ensayo se eliminó una tubería; estatuberíasfue la 46. En la Figura 12 se ilustra la
configuración de la red R-28 para este caso.
Figura 12. Red R-28 sin la Tubería 46.
4.3. Metodología de Análisis
Para poder realizar un análisis adecuado en los diferentes casos de estudio de redes sin una o dos
tuberías fue necesario inicialmente evaluar los resultados relacionados con la velocidad y
dirección del flujo en el programa REDES; por esta razón se introdujo la red R-28 sin ninguna
modificación y se obtuvieron los valores de la velocidad y de la dirección del flujo en cada una de
las tuberías para la red original. Luego después de obtener estos resultados se introdujeron los 5
casos de redes sin una o dos tuberías y se obtuvieron la velocidad y la dirección de flujo para cada
caso de interés.
Después de realizar la primera prueba correspondiente la red R-28 con demandas originales, y
modificaciones de tuberías, se continuó con las segunda prueba la cual consistía en realizar el
mismo procedimiento que para la prueba 1, pero reduciendo todas las demandas al 50% de la
demanda original. La tercera y cuarta prueba correspondieron a la misma metodología de la
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Determinación de reglas de operación (restricciones) de redes de distribución de agua potable con
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prueba 1 y 2, pero reduciendo las demandas de todos los nodos al 30% y 10% de la demanda
original respectivamente.
Según lo anterior fue posible obtener los resultados de todas las velocidades y direcciones del
flujo para todas las tuberías de los 5 casos de la red R-28 sin alguna(s) tubería(s) y la original, para
cuatro pruebas diferentes. Para poder entender de forma adecuada en qué consistía cada una de
las pruebas se realizará una breve descripción a continuación:
Prueba 1
Uso del Programa REDES para identificar las velocidades y direcciones de flujo de todas las
tuberías de la red R-28 con demandas originales para:
R-28 Original sin modificaciones
Caso 1 (Sin tubos 16 y 33)
Caso 2 (Sin tubo 23)
Caso 3 (Sin tubo 25)
Caso 4 (Sin tubo 2)
Caso 5 (Sin tubo 46)
Prueba 2
Uso del Programa REDES para identificar las velocidades y direcciones de flujo de todas las
tuberías de la red R-28 con demandas reducidas al 50%, en los siguientes casos:
R-28 Original con demandas reducidas
Caso 1 (Sin tubos 16 y 33)
Caso 2 (Sin tubo 23)
Caso 3 (Sin tubo 25)
Caso 4 (Sin tubo 2)
Caso 5 (Sin tubo 46)
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Prueba 3
Uso del Programa REDES para identificar las velocidades y direcciones de flujo de todas las
tuberías de la red R-28 con demandas reducidas al 30%, en los siguientes casos:
R-28 Original con demandas reducidas
Caso 1 (Sin tubos 16 y 33)
Caso 2 (Sin tubo 23)
Caso 3 (Sin tubo 25)
Caso 4 (Sin tubo 2)
Caso 5 (Sin tubo 46)
Prueba 4
Uso del Programa REDES para identificar las velocidades y direcciones de flujo de todas las
tuberías de la red R-28 con demandas reducidas al 10%, en los siguientes casos:
R-28 Original con demandas reducidas
Caso 1 (Sin tubos 16 y 33)
Caso 2 (Sin tubo 23)
Caso 3 (Sin tubo 25)
Caso 4 (Sin tubo 2)
Caso 5 (Sin tubo 46)
Al obtener todos los resultados de las pruebas 1, 2, 3 y 4 se seleccionaron las tuberías que
presentaban posibilidad de desprendimiento de la biopelícula, realizando una comparación con la
red original de cada una de las pruebas. De esta forma se pretendía observar que sucedía si en
una red original se cierra una o dos tuberías debido a mantenimiento o daño.
A continuación se resume brevemente las comparaciones realizadas para observar la posibilidad
de desprendimiento de la biopelícula. En las diferentes pruebas se compararon los 5 casos
mencionados anteriormente con la red original; como se mencionó anteriormente lo único que se
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modifica en las diferentes pruebas es la demanda de la Red R-28. En la Figura 13 se puede
observar los parámetros seguidos para realizar las pruebas:
Figura 13. Procedimiento utilizado para observar los casos de desprendimiento de Biopelícula en las diferentes
pruebas.
R-28 Original.
Velocidades de las tuberías
(V1,V2,.....V68)
Caso 1 (i)
Velocidades de las tuberías
(V1i,V2i,.....V68i)
V1i>1.5+V1
o
V1i>V1+0.5*V1
o
Cambio en dirección de flujo
Caso 2 (ii)
Velocidades de las tuberías
(V1ii,V2ii,.....V68ii)
V1ii>1.5+V1
o
V1ii>V1+0.5*V1
o
Cambio en dirección de flujo
Caso 3 (iii)
Velocidades de las tuberías
(V1iii,V2iii,.....V68iii)
V1iii>1.5+V1
o
V1iii>V1+0.5*V1
o
Cambio en dirección de flujo
Caso 4 (iv)
Velocidades de las tuberías
(V1iv,V2iv,.....V68iv)
V1iv>1.5+V1
o
V1iv>V1+0.5*V1
o
Cambio en dirección de flujo
Caso 5 (v)
Velocidades de las tuberías
(V1v,V2v,.....V68v)
V1v>1.5+V1
o
V1v>V1+0.5*V1
o
Cambio en dirección de flujo
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Al determinar todas las tuberías de los diferentes casos en cada una de las pruebas que
presentaban problemas de desprendimiento de la biopelícula se escogían únicamente el 20% del
total de tuberías de la red que presentaban desprendimiento de la biopelícula. De esta forma el
20% de tuberías de una red de 68 tuberías corresponde a 13 tuberías; por esta razón en los casos
que se presentaba mayor número de tuberías con problemas de desprendimiento, se tomaban
únicamente las 13 con mayores problemas.
Al obtener el 20% de las tuberías de la Red R-28 con mayor problema de desprendimiento de
biopelícula se procedía a evaluar estas tuberías bajo ciertas restricciones en el programa de
Lavado. Las restricciones utilizadas en el programa correspondían a:
Rango de velocidades entre 0,1 y 1,5 m/s para las tuberías a evaluar.
No existencia de Hidrantes en la Red.
Nivel de Aproximación del 75%.
Presión mínima de 0 para garantizar demandas en los nodos.
Estado de las válvulas abiertas en un 100%.
4.4. Resultados
Los resultados que se presentarán a continuación corresponden a los 5 casos presentados para la
Red R-28, en las pruebas 1, 2, 3 y 4. Con el fin de realizar una explicación clara de los resultados,
estos se dividirán en cada una de las pruebas y en estas se explicarán cada uno de los casos.
4.4.1. Prueba 1
La prueba 1 corresponde al análisis de la Red R-28 con las demandas originales. De esta forma se
presentarán los resultados obtenidos para cada uno de los casos evaluados; en estos se tendrán
en cuenta las modelaciones realizadas en Excel, seguidos por los resultados obtenidos en el
programa de Lavado, teniendo en cuenta la metodología mencionada.
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4.4.1.1. Caso 1
En el caso 1 se evaluó la Red R-28 sin las tuberías 16 y 33. En la Tabla 1 se presentan los
resultados obtenidos en cuanto a las tuberías con problema de desprendimiento de la biopelícula.
ID
VELOCIDAD (m/s)
Δ Velocidad (m/s)
Δ Velocidad50%
CambioSentido
Desp. Biopelícula
1
-0.032
0.012
Si
No
Si
6
0.32
0.109
Si
No
Si
27
0.121
0.076
Si
No
Si
38
0.695
0.337
Si
No
Si
67
-1.964
0.679
Si
No
Si
Tabla 1. Tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula en el Caso 1 de la Prueba 1.
En este caso se presentan 5 tuberías con posibilidad de desprendimiento de biopelícula; de esta
forma se introducen la red al programa de lavado, con las restricciones mencionadas
anteriormente para las tuberías de la Tabla 1. Al realizar el primer ensayo de lavado se obtienen
los resultados de la Figura 14.
Figura 14. Error Caso 1 de la Prueba 1 para 5 tuberías evaluadas.
Esto quiere decir que el programa no encontró bajo ningún escenario o combinación de válvulas
la posibilidad de mantener las velocidades entre 0,1 y 1,5 m/s en las 6 tuberías. Ya que el
programa no encuentra solución debido a que la velocidad de la tubería 67 es superior a 1,5 m/s
se realiza el lavado para las 5 tuberías restantes y se obtiene el reporte de lavado de la Figura 15.
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Figura 15. Reporte de Lavado para el Caso 1 de la Prueba 1 para 4 tuberías evaluadas.
Al utilizar el programa de Lavado en El Caso 1 de la Prueba 1 para las tuberías 1, 6, 27 y 38 se
observa que el programa funciona adecuadamente debido a que logra encontrar un escenario en
el cual las velocidades de estos tubos estén entre el rango de 0,1 y 1,5 m/s, sin embargo esto era
de esperarse ya que las velocidades iniciales se encontraban dentro de estos rangos.
Adicionalmente se debe tener en cuenta que ya que el programa intenta encontrar la mayor
velocidad posible dentro del rango de velocidad introducido por el usuario, es posible que se
encuentren nuevos problemas en cuento al desprendimiento de biopelículas en otras tuberías ya
que el programa operara de cualquier manera para que las velocidades de los tubos evaluados se
maximicen dentro del rango introducido. Por las razones mencionadas anteriormente el
programa de lavado está indicando nuevos problemas relacionados con las tuberías12, 29, 36, 54,
8 y 9.
4.4.1.2. Caso 2
El Caso 2 de la Prueba 1 corresponde a la Red R-28 con demandas originales sin la tubería 23. En
este caso se presentan 25 casos de desprendimiento de biopelícula; por esta razón se tomaron las
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13 tuberías que presentaban mayor posibilidad de desprendimiento de biopelícula. En la tabla 23
se presentan estas tuberías.
ID
VELOCIDAD (m/s)
Δ Velocidad (m/s)
Δ Velocidad50%
CambioSentido
Desp. Biopelícula
2
2.237
1.805
Si
No
Si
8
2.309
1.86
Si
No
Si
13
3.755
2.954
Si
No
Si
18
4.611
3.683
Si
No
Si
28
4.766
3.352
Si
No
Si
33
2.671
2.165
Si
No
Si
38
2.242
1.884
Si
No
Si
46
-0.289
2.021
No
Si
Si
49
0.43
1.894
No
Si
Si
50
-0.143
2.028
No
Si
Si
51
0.404
2.242
No
Si
Si
52
-0.675
2.578
No
Si
Si
53
0.532
2.301
No
Si
Si
Tabla 2. Tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula en el Caso 2 de la Prueba 1.
Al obtener las 13 tuberías con mayor posibilidad de desprendimiento de biopelícula se introduce
la red en el programa de Lavado. La tubería 23 corresponde a una de las tuberías principales de la
red R-28 y debida a que la red original está diseñada de forma justa en cuanto a las demandas de
cada uno de los nodos; de esta forma al eliminar esta tubería es imposible dar cumplimiento a las
demandas requeridas en cada nodo y por lo tanto el programa de Lavado arroja un error ilustrado
en la Figura 16.
Figura 16. Error del Programa de Lavado por Presiones Negativas.
4.4.1.3. Caso 3
El Caso 3 de esta prueba corresponde a la eliminación de la tubería 25 en la Red R-28 con
demandas originales. En este caso se encontraron 12 tuberías con posibilidad de
desprendimiento de biopelícula y se presentan en la Tabla 3.
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el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
ID
VELOCIDAD(m/s)
Δ Velocidad(m/s)
Δ Velocidad 50%
Cambio Sentido
Desp. Biopelícula
26
-3.562
4.671
Si
Si
Si
27
-2.1
2.145
Si
Si
Si
31
-0.382
2.244
No
Si
Si
32
-0.427
1.554
No
Si
Si
33
-0.388
0.894
No
Si
Si
34
-0.791
0.419
Si
No
Si
37
-0.15
1.031
No
Si
Si
38
-0.419
0.777
No
Si
Si
39
-0.581
0.402
Si
No
Si
40
0.947
0.402
Si
No
Si
48
0.857
0.375
Si
No
Si
66
3.03
1.418
Si
No
Si
Tabla 3. Tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula en el Caso 3 de la Prueba 1.
Sin embargo la tubería 25 también corresponde a una de las tuberías principales de la red y
debido a que está diseñada de forma justa para cumplir con las demandas; al eliminar esta
tubería se presentan presiones negativas en la red y el programa no puede funcionar. Debido a
esto se obtiene un error igual al de la Figura 16 del Caso 2 de la Prueba 1.
4.4.1.4. Caso 4
En el Caso 4 de la Prueba 1 se eliminó la tubería 2. En la Tabla 4 se presentan las 5 tuberías con
problemas de desprendimiento de biopelícula que resultaron en este caso.
ID
VELOCIDAD(m/s)
Δ Velocidad(m/s)
Δ Velocidad 50%
Cambio Sentido
Desp. Biopelícula
1
-0.173
0.153
Si
No
Si
8
0.76
0.311
Si
No
Si
44
-0.458
0.153
Si
No
Si
47
-0.459
0.28
Si
No
Si
54
0.093
0.369
No
Si
Si
Tabla 4. Tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula en el Caso 4 de la Prueba 1.
Al obtener las tuberías que se deben tener en cuenta, se introducen al programa de lavado
utilizando las restricciones mencionadas en la metodología. En la Figura 17 se ilustra el reporte de
lavado obtenido al realizar este procedimiento.
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Figura 17. Reporte de Lavado para el Caso 4 de la Prueba 1.
El reporte de lavado de la Figura 17 muestra velocidades muy similares a las originales de la Tabla
4 para las tuberías 1, 8, 44 y 47; sin embargo estas aumentan en algunas unidades y ocasionan
que para la tubería 54 se aumente más de 1,5 veces su valor inicial al igual que para la tubería 9.
Estos resultados son similares a los del Caso 1, pero con menor número de tuberías afectadas al
introducir al programa de Lavado.
4.4.1.5. Caso 5
El Caso 5 corresponde a la eliminación de la tubería 46 en la Red R-28 con demandas originales.
En la Tabla 5 se presentan las tuberías que tienen problemas de desprendimiento.
ID
VELOCIDAD(m/s)
Δ Velocidad(m/s)
Δ Velocidad 50%
Cambio Sentido
Desp. Biopelícula
27
-0.115
0.16
Si
Si
Si
29
-0.144
1.388
No
Si
Si
33
1.005
0.499
Si
No
Si
34
0.835
1.207
Si
Si
Si
38
0.854
0.496
Si
No
Si
39
0.347
0.526
Si
Si
Si
Tabla 5. Tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula en el Caso 5 de la Prueba 1.
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Después de conocer las tuberías que presentan desprendimiento de biopelícula se introducen al
programa de Lavado. La Figura 18 presenta el reporte de lavado para este caso.
Figura 18. Reporte de Lavado para el Caso 4 de la Prueba 1.
En este reporte de lavado se observa que para las tuberías 34, 38 y 39 la velocidad se mantuvo
muy similar a las originales; sin embargo el programa aumentó las velocidades de los tubos 27, 29
y 33 en varios puntos. Adicionalmente se ve que realizar este lavado ocasiona problemas de
desprendimiento en más de 13 tuberías adicionales. Según lo anterior operar la red bajo estas
restricciones del programa de lavado ocasionaría más problemas que los que se tenían
inicialmente.
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4.4.2. Prueba 2
La Prueba 2 corresponde a la Red R-28 con las demandas reducidas al 50%; en esta prueba se
analizarán todos los casos de eliminación de una o dos tuberías para observar que sucedería si
estas tuberías fueran cerradas por daño o mantenimiento.
4.4.2.1. Caso 1
En el Caso 1 de la Prueba 2 se eliminaron las tuberías 16 y 33 de la Red R-28 con las demandas
reducidas en un 50%. En la Tabla 6 se presentan las tuberías con problemas de desprendimiento.
ID
VELOCIDAD(m/s)
Δ Velocidad(m/s)
Δ Velocidad 50%
Cambio Sentido
Desp. Biopelícula
27
0.052
0.041
Si
No
Si
38
0.338
0.162
Si
No
Si
67
-0.981
0.338
Si
No
Si
Tabla 6. Tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula en el Caso 1 de la Prueba 1.
Al determinar las tuberías afectadas por desprendimiento de la biopelícula se introducen al
programa de Lavado. En la Figura 19 se presenta el reporte de lavado correspondiente a este
caso.
Figura 19. Reporte de Lavado para el Caso 1 de la Prueba 2.
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La Figura 19 muestra que para realizar este lavado se presenta una cambio de la dirección del
flujo en la tubería 27 lo que ocasionaría un problema adicional en cuanto al desprendimiento de
biopelícula; adicionalmente para las tuberías 38 y 67 no se resuelve el problema de aumento de
más del 50% de velocidad ya que este programa maximiza las velocidades de los tubos.
4.4.2.2. Caso 2
El Caso 2 de la Prueba 2 corresponde a la Red R-28 con demandas reducidas al 50%, sin la tubería
23. Se presentaron 18 casos de desprendimiento de biopelícula; por esta razón se tomaron las 13
tuberías que presentaban mayor posibilidad de desprendimiento de biopelícula. En la tabla 7 se
presentan estas tuberías.
ID
VELOCIDAD(m/s)
Δ Velocidad(m/s)
Δ Velocidad 50%
Cambio Sentido
Desp. Biopelícula
18
2.369
1.91
Si
No
Si
28
2.46
1.761
Si
No
Si
34
0.34
0.53
Si
Si
Si
39
0.366
0.458
Si
Si
Si
40
-0.182
0.457
No
Si
Si
41
-0.112
0.801
No
Si
Si
43
0.104
0.758
No
Si
Si
45
0.198
0.847
No
Si
Si
46
-0.115
0.987
No
Si
Si
49
0.164
0.896
No
Si
Si
51
0.177
1.098
No
Si
Si
52
-0.341
1.284
No
Si
Si
53
0.266
1.152
No
Si
Si
Tabla 7. Tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula en el Caso 2 de la Prueba 2.
Las 13 tuberías con mayor posibilidad de desprendimiento de biopelícula se introducenal
programa de Lavado.En la Figura 20 se presentan los resultados obtenidos.
Figura 20. Error del Programa de Lavado.
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el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
En la Figura 20 se muestra que el programa de lavado no logra encontrar ninguna configuración
de la red para que esta realice el lavado en las 13 tuberías de la Tabla 7, ya que las tuberías 18 y
28 presentan velocidades originales por encima del rango de restricciones (0,1 a 1,5 m/s). De esta
forma se eliminan la tubería 18 y 28 y se evalúa en el programa de lavado las 11 tuberías
restantes (Figura 21).
Figura 21. Reporte de Lavado para el Caso 2 de la Prueba 2.
La Figura 21 muestra que el programa de Lavado logra encontrar resultados para las 11 tuberías
evaluadas; sin embargo teniendo en cuenta que el problema de desprendimiento de biopelícula
radica en cambio en el sentido del flujo el programa no logra encontrar una solución.
4.4.2.3. Caso 3
El Caso 3 de esta prueba corresponde a la eliminación de la tubería 25 en la Red R-28 con
demandas reducidas en un 50%. En este caso se encontraron 14 tuberías con posibilidad de
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Centro de Investigaciones en Acueducto y Alcantarillados.
Determinación de reglas de operación (restricciones) de redes de distribución de agua potable con
el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
desprendimiento de biopelícula, por lo que se tomaron las 13 con mayor problema de
desprendimiento y se presentan en la Tabla 8.
ID
VELOCIDAD(m/s)
Δ Velocidad(m/s)
Δ Velocidad 50%
Cambio Sentido
Desp. Biopelícula
26
-1.769
2.313
Si
Si
Si
27
-1.036
1.047
Si
Si
Si
31
-0.19
1.127
No
Si
Si
32
-0.228
0.79
No
Si
Si
33
-0.234
0.48
No
Si
Si
34
-0.387
0.197
Si
No
Si
37
-0.089
0.527
No
Si
Si
38
-0.216
0.392
No
Si
Si
39
-0.291
0.199
Si
No
Si
40
0.475
0.2
Si
No
Si
48
0.434
0.192
Si
No
Si
50
1.422
0.475
Si
No
Si
66
1.508
0.706
Si
No
Si
Tabla 8. Tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula en el Caso 3 de la Prueba 2.
De esta forma se introducen las 13 tuberías al programa de lavado, pero debido a que las
velocidades de las tuberías 26 y 66 se encuentran por encima del rango de velocidades, el
programa no encuentra una solución. Adicionalmente al evaluarla para las 11 tuberías restantes
el programa no encuentra una solución debido a que la velocidad de la tubería 50 se encuentra
muy cerca del límite superior del rango. Para lograr una solución se eliminan las tuberías 26, 50 y
66, evaluando únicamente 10 tuberías, los resultados se ilustran en el reporte de lavado de la
Figura 22.
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Determinación de reglas de operación (restricciones) de redes de distribución de agua potable con
el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
Figura 22. Reporte de Lavado para el Caso 3 de la Prueba 2.
4.4.2.4. Caso 4
En el Caso 4 de la Prueba 2 se eliminó la tubería 2 en la Red R-28 con demandas reducidas en un
50%. En la Tabla 9 se presentan las 5 tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula
que resultaron en este caso.
ID
VELOCIDAD(m/s)
Δ Velocidad(m/s)
Δ Velocidad 50%
Cambio Sentido
Desp. Biopelícula
1
-0.085
0.075
Si
No
Si
8
0.396
0.169
Si
No
Si
27
0.021
0.01
Si
No
Si
47
-0.231
0.141
Si
No
Si
54
0.047
0.186
No
Si
Si
Tabla 9. Tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula en el Caso 4 de la Prueba 2.
En este caso se muestra que 4 de las 5 tuberías con problemas de desprendimiento son las
mismas que se presentaban para el mismo caso en la Prueba 1; la única tubería que no es la
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Determinación de reglas de operación (restricciones) de redes de distribución de agua potable con
el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
misma que en la prueba 1 es la 27, ya que anteriormente era la 44. En la Figura 23 se presenta el
reporte de Lavado respectivo.
Figura 23. Reporte de Lavado para el Caso 4 de la Prueba 2.
El reporte de lavado de la Figura 23muestra que el problema del aumento del 50% de la velocidad
no se solucionó; por lo tanto el problema persiste en estas tuberías y adicionalmente se
presentará en tuberías adicionales tales como la 4, 40, 46, 29, 31, entre otras.
4.4.2.5. Caso 5
El Caso 5 corresponde a la eliminación de la tubería 46 en la Red R-28 con demandas disminuidas
en un 50%. En la Tabla 10 se presentan las 6 tuberías que tienen problemas de desprendimiento
de la biopelícula.
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Determinación de reglas de operación (restricciones) de redes de distribución de agua potable con
el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
ID
VELOCIDAD(m/s)
Δ Velocidad(m/s)
Δ Velocidad 50%
Cambio Sentido
Desp. Biopelícula
27
-0.07
0.081
Si
Si
Si
29
-0.109
0.7
No
Si
Si
33
0.5
0.254
Si
No
Si
34
0.419
0.609
Si
Si
Si
38
0.424
0.248
Si
No
Si
39
0.172
0.264
Si
Si
Si
Tabla 10. Tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula en el Caso 5 de la Prueba 2.
La Tabla 10 muestra que las tuberías que presentan desprendimiento corresponden a las mismas
del Caso 5 de la Prueba 1. La Figura 24 presenta el reporte de lavado para las 6 tuberías evaluadas
en este caso.
Figura 24. Reporte de Lavado para el Caso 5 de la Prueba 2.
En este reporte de lavado se observa que se encuentra una solución para las 6 tuberías; sin
embargo para aquellas que presentan cambio en el sentido de flujo no se puede encontrar una
solución en cuanto a este problema de desprendimiento de biopelícula.
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Determinación de reglas de operación (restricciones) de redes de distribución de agua potable con
el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
4.4.3. Prueba 3
Para la Prueba 3 se utilizó la Red R-28 con las demandas reducidas al 30% de la original; en esta
prueba se analizarán todos los casos de eliminación de una o dos tuberíascon el fin de entender
qué sucedería en la red en el caso de cerrar alguna de las tuberías principales o secundarias.
4.4.3.1. Caso 1
En el Caso 1 de la Prueba 3 se eliminaron las tuberías 16 y 33 de la Red R-28 con las demandas
reducidas al 30%. En la Tabla 11 se presentan las 5 tuberías afectadas con problemas de
desprendimiento de la biopelícula.
ID
VELOCIDAD(m/s)
Δ Velocidad(m/s)
Δ Velocidad 50%
Cambio Sentido
Desp. Biopelícula
1
-0.003
0.003
Si
No
Si
27
0.033
0.023
Si
No
Si
34
-0.152
0.051
Si
No
Si
38
0.206
0.095
Si
No
Si
67
-0.588
0.202
Si
No
Si
Tabla 11. Tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula en el Caso 1 de la Prueba 3.
Al determinar las tuberías afectadas por desprendimiento de la biopelícula se introducen al
programa de Lavado. En el programa debido a que la velocidad de las tuberías es menor que 0.1
m/s se pone como rango mínimo 0,001 m/s para poder conseguir que el programa encuentre una
solución debido a las bajas velocidades. En la Figura 25 se presenta el reporte de lavado
correspondiente a este caso.
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Determinación de reglas de operación (restricciones) de redes de distribución de agua potable con
el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
Figura 25. Reporte de Lavado para el Caso 1 de la Prueba 3.
4.4.3.2. Caso 2
En este caso se elimina la tubería 23de la Red R-28 con demandas reducidas al 30%. Se presentan
15 casos de desprendimiento de biopelícula; por esta razón se tomaron las 13 tuberías que
presentaban mayor posibilidad de desprendimiento de biopelícula. En la tabla 12 se presentan
estas tuberías.
ID
VELOCIDAD(m/s)
Δ Velocidad(m/s)
Δ Velocidad 50%
Cambio Sentido
Desp. Biopelícula
9
0.188
0.267
Si
Si
Si
34
0.211
0.312
Si
Si
Si
39
0.222
0.274
Si
Si
Si
40
-0.112
0.274
No
Si
Si
41
-0.059
0.485
No
Si
Si
43
0.069
0.458
No
Si
Si
45
0.121
0.506
No
Si
Si
46
-0.079
0.587
No
Si
Si
48
-0.121
0.264
No
Si
Si
49
0.099
0.534
No
Si
Si
51
0.107
0.658
No
Si
Si
52
-0.201
0.766
No
Si
Si
53
0.162
0.692
No
Si
Si
Tabla 12. Tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula en el Caso 2 de la Prueba 3.
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Determinación de reglas de operación (restricciones) de redes de distribución de agua potable con
el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
Las 13 tuberías con mayor posibilidad de desprendimiento de biopelícula se introducen al
programa de Lavado. En la Figura 26 se presentan los resultados obtenidos.
Figura 26. Error del Programa de Lavado.
En esta prueba no fue posible obtener resultados debido a que la red debido a sus bajas
demandas en los nodos está manejando velocidades muy bajas en la red y el rango tiene como
velocidad mínima 0.1 m/s, lo que significa que el programa no puede encontrar ninguna
configuración para que las tuberías con velocidades menores a 0.1m/s puedan estar por encima
de este valor.
4.4.3.3. Caso 3
El Caso 3 de esta prueba corresponde a la eliminación de la tubería 25 en la Red R-28 con
demandas reducidas al 30%. En este caso se encontraron 13 tuberías con posibilidad de
desprendimiento de biopelícula (Tabla 13).
ID
VELOCIDAD(m/s)
Δ Velocidad(m/s)
Δ Velocidad 50%
Cambio Sentido
Desp. Biopelícula
1
0.004
0.004
Si
No
Si
26
-1.064
1.379
Si
Si
Si
27
-0.621
0.631
Si
Si
Si
31
-0.111
0.709
No
Si
Si
32
-0.133
0.48
No
Si
Si
33
-0.136
0.282
No
Si
Si
34
-0.227
0.126
Si
No
Si
37
-0.053
0.322
No
Si
Si
38
-0.128
0.239
No
Si
Si
39
-0.173
0.121
Si
No
Si
40
0.283
0.121
Si
No
Si
48
0.26
0.117
Si
No
Si
66
0.907
0.427
Si
No
Si
Tabla 13. Tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula en el Caso 3 de la Prueba 3.
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Determinación de reglas de operación (restricciones) de redes de distribución de agua potable con
el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
Para poder operar el programa de Lavado y obtener un reporte de lavado fue necesario poner en
la tubería 1 el rango desde 0.01 a 1.5 m/s y para el resto de las tuberías si se dejó el rango
utilizado normalmente. En la Figura 27 se presenta el reporte de lavado obtenido para este caso.
Figura 27. Reporte de Lavado para el Caso 3 de la Prueba 3.
4.4.3.4. Caso 4
En el Caso 4 de la Prueba 3 se eliminó la tubería 2 en la Red R-28 con demandas reducidas al 30%.
En la Tabla 14 se presentan las 5 tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula que
resultaron en este caso.
ID
VELOCIDAD(m/s)
Δ Velocidad(m/s)
Δ Velocidad 50%
Cambio Sentido
Desp. Biopelícula
1
-0.052
0.052
Si
No
Si
8
0.237
0.093
Si
No
Si
44
-0.137
0.051
Si
No
Si
47
-0.138
0.079
Si
No
Si
54
0.027
0.111
No
Si
Si
Tabla 14. Tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula en el Caso 4 de la Prueba 3.
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Determinación de reglas de operación (restricciones) de redes de distribución de agua potable con
el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
En la Figura 28 se presenta el reporte de lavado correspondiente a las 5 tuberías evaluadas; en las
tuberías 1 y 54 fue necesario disminuir la velocidad mínima del rango a 0.01 m/s. Los resultados
no muestran ninguna variación en las velocidades de las tuberías, por esta razón el reporte no
arroja ningún cambio en las tuberías de la red.
Figura 28. Reporte de Lavado para el Caso 4 de la Prueba 3.
4.4.3.5. Caso 5
El Caso 5 corresponde a la eliminación de la tubería 46 en la Red R-28 con demandas disminuidas
al 30%. En la Tabla 15 se presentan las 7 tuberías que tienen problemas de desprendimiento de la
biopelícula.
ID
VELOCIDAD(m/s)
Δ Velocidad(m/s)
Δ Velocidad 50%
Cambio Sentido
Desp. Biopelícula
1
-0.001
0.001
Si
No
Si
27
-0.043
0.053
Si
Si
Si
29
-0.042
0.398
No
Si
Si
33
0.301
0.155
Si
No
Si
34
0.252
0.353
Si
Si
Si
38
0.255
0.144
Si
No
Si
39
0.103
0.155
Si
Si
Si
Tabla 15. Tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula en el Caso 5 de la Prueba 3.
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Determinación de reglas de operación (restricciones) de redes de distribución de agua potable con
el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
En la Figura 29 se presenta el resultado del reporte del lavado en el cual también se realizó una
disminución de la velocidad mínima para la tubería 1. En este lavado la velocidad en 27 y 29 se
aumentan más del 50% y adicionalmente se generan varios cambios inconvenientes en otras
tuberías.
Figura 29. Reporte de Lavado para el Caso 5 de la Prueba 3.
4.4.4. Prueba 4
En la Prueba 4 se realizó una disminución de las demandas originales de la Red R-28 al 10%. En
esta prueba se analizarán todos los casos de eliminación de una o dos tuberías con el fin de
entender qué sucedería en la red en el caso de cerrar alguna de las tuberías principales o
secundarias.
4.4.4.1. Caso 1
En el Caso 1 de la Prueba 4 se eliminaron las tuberías 16 y 33 de la Red R-28 con las demandas
reducidas al 10%. En la Tabla 16 se presentan las 3 tuberías afectadas con problemas de
desprendimiento de la biopelícula.
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Determinación de reglas de operación (restricciones) de redes de distribución de agua potable con
el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
ID
VELOCIDAD(m/s)
Δ Velocidad(m/s)
Δ Velocidad 50%
Cambio Sentido
Desp. Biopelícula
27
0.006
0.006
Si
No
Si
38
0.07
0.035
Si
No
Si
67
-0.197
0.068
Si
No
Si
Tabla 16. Tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula en el Caso 1 de la Prueba 4.
Es importante resaltar que se presenta desprendimiento de la biopelícula debido a que existe una
variación de más del 50% de la velocidad. Las velocidades en el tubo 27 es bastante menor a 0.1
m/s, por lo tanto se reduce el rango mínimo a evaluar a 0.01m/s. La Figura 30 presenta los
resultados del reporte de lavado para este caso.
Figura 30. Reporte de Lavado para el Caso 1 de la Prueba 4.
4.4.4.2. Caso 2
En este caso se elimina la tubería 23, la cual corresponde a uno de los tubos principales de la
red(Red R-28 con demandas reducidas al 10%). Se presentan 17 casos de desprendimiento de
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Determinación de reglas de operación (restricciones) de redes de distribución de agua potable con
el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
biopelícula, por esta razón se tomaron las 13 tuberías que presentaban mayor posibilidad de
desprendimiento de biopelícula (Tabla 17).
ID
VELOCIDAD(m/s)
Δ Velocidad(m/s)
Δ Velocidad 50%
Cambio Sentido
Desp. Biopelícula
34
0.071
0.104
Si
Si
Si
39
0.072
0.089
Si
Si
Si
40
-0.036
0.09
No
Si
Si
41
-0.016
0.157
No
Si
Si
42
0.001
0.107
No
Si
Si
43
0.02
0.148
No
Si
Si
45
0.041
0.168
No
Si
Si
46
-0.025
0.193
No
Si
Si
48
-0.04
0.089
No
Si
Si
49
0.031
0.175
No
Si
Si
51
0.037
0.22
No
Si
Si
52
-0.068
0.257
No
Si
Si
53
0.054
0.231
No
Si
Si
Tabla 17. Tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula en el Caso 2 de la Prueba 4.
Las 13 tuberías con mayor posibilidad de desprendimiento de biopelícula se introducen al
programa de Lavado.Debido a que todas las velocidades de las tuberías se encuentran por debajo
de 0.1 m/s se reduce la velocidad mínima del rango de velocidades a 0.01 m/s para todas las
tuberías evaluadas. En la Figura 31 se presentan los resultados obtenidos.
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Determinación de reglas de operación (restricciones) de redes de distribución de agua potable con
el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
Figura 31. Reporte de Lavado para el Caso 2 de la Prueba 4.
4.4.4.3. Caso 3
En el Caso 3 de esta prueba se eliminó la tubería 25de la Red R-28 con las demandas reducidas al
10%. En este caso se encontraron 12 tuberías con posibilidad de desprendimiento de biopelícula
(Tabla 18).
ID
VELOCIDAD(m/s)
Δ Velocidad(m/s)
Δ Velocidad 50%
Cambio Sentido
Desp. Biopelícula
26
-0.354
0.457
Si
Si
Si
27
-0.206
0.206
Si
Si
Si
31
-0.042
0.242
No
Si
Si
32
-0.052
0.17
No
Si
Si
33
-0.049
0.101
No
Si
Si
34
-0.077
0.044
Si
No
Si
37
-0.011
0.098
No
Si
Si
38
-0.039
0.074
No
Si
Si
39
-0.057
0.04
Si
No
Si
40
0.093
0.039
Si
No
Si
48
0.084
0.035
Si
No
Si
66
0.303
0.144
Si
No
Si
Tabla 18. Tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula en el Caso 3 de la Prueba 4.
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el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
Como se puede observar en la Tabla 18 la mayoría de las tuberías tienen las velocidades por
debajo de 0.1 m/s; por esta razón se baja la velocidad mínima del rango a 0.01 m/s. En la Figura
32 se presentan los resultados obtenidos para este caso en el reporte de lavado
Figura 32. Reporte de Lavado para el Caso 3 de la Prueba 4.
4.4.4.4. Caso 4
En el Caso 4 de la Prueba 4 se eliminó la tubería 2 en la Red R-28 con demandas reducidas al 10%.
En la Tabla 19 se presentan las 3 tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula que
resultaron en este caso.
ID
VELOCIDAD(m/s)
Δ Velocidad(m/s)
Δ Velocidad 50%
Cambio Sentido
Desp. Biopelícula
1
-0.017
0.014
Si
No
Si
8
0.08
0.03
Si
No
Si
47
-0.046
0.03
Si
No
Si
Tabla 19. Tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula en el Caso 4 de la Prueba 4.
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el fin de lograruna operación sin posibilidad de desprendimiento de Bio-películas
La Figura 32 presenta el reporte de lavado obtenido para este caso. La velocidad menor del rango
de velocidades utilizado fue necesario disminuirla a 0.01 m/s con el fin de obtener resultados en
el programa de Lavado igual que en casos anteriores. Las velocidades en el tubo 47 varían en 0.04
m/s aproximadamente; debido a esto se generan variaciones en tuberías adicionales como la 6,
27, 38 y 54 que podrían afectar desprendimiento de biopelícula que anteriormente no se
generaba.
Figura 33. Reporte de Lavado para el Caso 4 de la Prueba 4.
4.4.4.5. Caso 5
El Caso 5 corresponde a la eliminación de la tubería 46 en la Red R-28 con demandas disminuidas
al 10%. En la Tabla 20 se presentan las 5 tuberías que tienen problemas de desprendimiento de la
biopelícula.
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ID
VELOCIDAD(m/s)
Δ Velocidad(m/s)
Δ Velocidad 50%
Cambio Sentido
Desp. Biopelícula
27
-0.015
0.015
Si
No
Si
33
0.1
0.048
Si
No
Si
34
0.079
0.112
Si
No
Si
38
0.084
0.049
Si
No
Si
39
0.039
0.056
Si
No
Si
Tabla 20. Tuberías con problemas de desprendimiento de biopelícula en el Caso 5 de la Prueba 4.
En la Figura 33 se presenta el resultado del reporte del lavado en el cual también se realizó una
disminución de la velocidad mínima para todas las tuberías evaluadas. En este lavado la velocidad
de las tuberías varían y por lo tanto se generan cambios en las velocidades de tuberías que
anteriormente no se tenían en cuenta.
Figura 34. Reporte de Lavado para el Caso 5 de la Prueba 4.
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4.4.5. Comparación de las Pruebas 1, 2, 3 y 4
Para poder observar la variación entre la cantidad de tuberías que presentaban desprendimiento
de la biopelícula en los diferentes casos de cada una de las pruebas realizadas se presenta matriz
comparativa que indica como variaron el número de tuberías afectadas (Tabla 21).
P/C
Caso 1
(Sin Tubos 16 y 33)
Caso 2
(Sin Tubo 23)
Caso 3
(Sin Tubo 25)
Caso 4
(Sin Tubo 2)
Caso 5
(Sin Tubo 46)
Prueba 1
(Demandas Originales)
5
25
12
5
6
Prueba 2
(Demandas Reducidas al 50%)
3
18
14
5
6
Prueba 3
(Demandas Reducidas al 30%)
5
15
13
5
7
Prueba 4
(Demandas Reducidas al 10%)
3
17
12
3
5
Tabla 21. Matriz del número de tuberías afectadas por desprendimiento de biopelícula en los diferentes casos de las
pruebas realizadas.
Utilizando la Tabla 21 se pueden obtener el número de casos de desprendimiento de biopelícula
que se presentan en cada uno de los cinco casos evaluados en las cuatro pruebas. La Figura 35
representa las curvas del número de tuberías afectadas para las diferentes pruebas en cada uno
de los casos, En esta figura se puede apreciar como la Prueba 3 presenta un mayor número de
tuberías afectadas que las Prueba 1 y 2 para los casos 1 y 5; de esta forma se puede tener en
cuenta que una red muy justa en cuanto a su capacidad hidráulica y las demandas exigidas en
cada uno de los nudos puede causar muchos casos de desprendimiento de biopelícula en caso de
cierre de una tubería principal (Caso 2 y 3); de esta forma es importante tener en cuenta que las
redes siempre deberán contar con un rango de flexibilidad para garantizar que en caso de que un
mantenimiento o una daño de cualquiera de sus tuberías no causen problemas tan grandes de
desprendimiento de la biopelícula y termine afectando a un gran porcentaje de usuarios de la
red.
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Figura 35. Curva de tuberías Afectadas para cada caso en las diferentes Pruebas.
0
5
10
15
20
25
30
1
2
3
4
5
C
ant
idad
de
Tuber
ías
A
fecta
das
Casos
Prueba 1 (Demandas
Originales)
Prueba 2 (Demandas
Reducidas al 50%)
Prueba 3 (Demandas
Reducidas al 30%)
Prueba 4 (Demandas
Reducidas al 10%)
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5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El programa de Lavado es una herramienta muy útil para observar cada una de las tuberías en las
cuales se presenta problemas relacionados con el desprendimiento de la biopelícula. Esto se debe
a que en el reporte de lavado se indica cada una de las tuberías en las cuales la velocidad
aumentó más de 1.5 veces su velocidad y en cuales se presentó un cambio en la dirección de
flujo. Gracias a este reporte se podría determinar exactamente cuales usuarios se verán afectados
por problemas de desprendimiento y por lo tanto será posible enviar advertencias a estos antes
de que se realice un mantenimiento o en caso de daño se podrá dar aviso inmediato para que
estos usuarios eviten el uso del recurso por un periodo determinado, con el fin de evitar posibles
enfermedades relacionadas con los microorganismos que seguramente se encuentren en las
biopelículas que se han desarrollado en la red, ya que como se ha determinado es imposible
operar una red de tal manera que no se generen biopelículas; lo único que se puede lograr con la
operación de la red es disminuir el espesor de la capa de la biopelícula.
Por otro lado es importante mencionar que al programa de Lavado no se le pueden introducir
restricciones tales como que no se genere cambio en el sentido de flujo de una o más tuberías y
tampoco se puede garantizar que no se dé un cambio de más del 50% de la velocidad de alguna
de las tuberías, ya que muchas veces este cambioestá por debajo de aquel que se restringe en el
rango de velocidades. Teniendo en cuenta lo mencionado anteriormente es importante ver que
para los casos en los cuales se pretende evaluar una tubería debido a que se presentó
desprendimiento de biopelícula causado por un cambio en la dirección del flujo, cambios en más
del 50% del valor de la velocidad o en más de 1.5 m/s, pero esta se encuentra en el rango de
velocidades restringido, el programa de Lavado no es útil, ya que no permite restringir estos
casos. Al evaluar las tuberías de la red en estos casos puede que genere mayor número de
problemas en tuberías adicionales que anteriormente no presentaban problemas de
desprendimiento.
Por otro lado operar el programa sin el uso de hidrantes limita más la posibilidad de encontrar
una configuración de la red para que se pueda realizar el lavado en los casos que se quiere limitar
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una tubería que presenta una velocidad mayor a 1.5 m/s (velocidad máxima del rango de
restricción). Debido a esto no se logró encontrar una solución para algunos casos de las Pruebas 1
y 2, en las cuales algunas de las tuberías afectadas tenían velocidades por encima de 1,5 m/s.
Para lograr encontrar una solución fue necesario no evaluar estas tuberías en el programa y solo
evaluar las restantes, lo que quiere decir que estas tuberías seguirán presentando problemas de
desprendimiento, pues es imposible encontrar una configuración de la red para que esto no
suceda.
Adicionalmente se debe tener en cuenta la función objetivo que utiliza el programa de Lavado
busca maximizar las velocidades de cierta tubería dentro de un rango establecido por el usuario;
esta función es contraria a lo que se busca al evaluar escenarios en los cuales no se presente
desprendimiento de la biopelícula ya que al introducir tuberías a evaluar lo que se busca es que
las velocidades sean mínimas dentro de cierto rango y de esta forma no se presenten estos
episodios de desprendimiento. Teniendo en cuenta esta contradicción entre el programa y lo que
se busca en este proyecto es necesario para estudios futuros desarrollar dentro del programa de
Lavado la posibilidad de modificar la función objetivo para que esta busque las mínimas
velocidades posibles para una tubería dentro de un rango establecido por el usuario, sin modificar
las velocidades o direcciones de flujo de otras tuberías de la red.
Al evaluar la Red R-28 bajo diferentes demandas y las mismas condiciones hidráulicas, se observó
que en los casos en los que la red está diseña de forma muy justa para cumplir las demandas en
los diferentes nudos y se realiza la eliminación de una o más tuberías los casos de
desprendimiento de biopelícula son muy elevados, sobre todo en los casos que las tuberías
eliminadas sean principales. Lo anterior quiere decir que en los casos de las RDAP que se
encuentren diseñados de forma justa para cumplir las demandas y se genere un episodio de
cierre por mantenimiento o daño de una tubería, asegurará que se presentaran casos de
desprendimiento de biopelícula en varios sectores de la red, los cuales afectarán a un gran
número de usuarios de esta. Este hallazgo indica que diseñar RDAP que no sean justos y que
permitan cumplir con las demandas de diferentes formas en caso de cierre de una tubería
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también garantizara que no se presentarán episodios de desprendimiento de la biopelícula y por
lo tanto no existirá riesgo para los consumidores de agua de estas redes.
Finalmente es importante tener en cuenta que en los casos de cierre de una o más tuberías
dentro de una RDAP generarán desprendimiento de biopelícula en algunas de las tuberías de
esta. Por esta razón el uso de programas que indiquen las tuberías que se verán afectadas
permite determinar los usuarios que se verán afectados y de esta forma generar advertencias
para que los consumidores tengan mayor precaución en el uso del recurso. Adicionalmente es
claro que si la RDAP no se encuentra diseñada de forma justa los episodios de desprendimiento
de biopelícula serán mucho menores y por lo tanto afectaran a un menor número de usuarios en
la red.
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