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Universidad de La Salle Universidad de La Salle Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería 2021 Identificación y diagnóstico de puntos críticos en la red primaria Identificación y diagnóstico de puntos críticos en la red primaria de abastecimiento de Yopal mediante modelación hidráulica en de abastecimiento de Yopal mediante modelación hidráulica en EPANET EPANET Jose Santiago Cainaba Mojica Universidad de La Salle, Bogotá, jcainaba00@unisalle.edu.co Santiago Andrés Buitrago Mora Universidad de La Salle, Bogotá, sbuitrago38@unisalle.edu.co Follow this and additional works at: https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_civil Part of the Civil Engineering Commons, and the Hydraulic Engineering Commons Citación recomendada Citación recomendada Cainaba Mojica, J. S., & Buitrago Mora, S. A. (2021). Identificación y diagnóstico de puntos críticos en la red primaria de abastecimiento de Yopal mediante modelación hidráulica en EPANET. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_civil/965 This Trabajo de grado - Pregrado is brought to you for free and open access by the Facultad de Ingeniería at Ciencia Unisalle. It has been accepted for inclusion in Ingeniería Civil by an authorized administrator of Ciencia Unisalle. 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SANTIAGO ANDRÉS BUITRAGO MORA JOSE SANTIAGO CAINABA MOJICA UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2021 IDENTIFICACIÓN Y DIAGNÓSTICO DE PUNTOS CRÍTICOS EN LA RED PRIMARIA DE ABASTECIMIENTO DE YOPAL MEDIANTE MODELACIÓN HIDRÁULICA EN EPANET. Proyecto de Grado presentado como Requisito para Optar al Título de Ingeniero Civil Director Temático Ing. Alejandro Franco Universidad de La Salle Facultad de Ingeniería Ingeniería Civil Bogotá D.C. 2021 Nota de aceptación: Firma del director Firma del Jurado Firma del Jurado TABLA DE CONTENIDO 1. RESUMEN ............................................................................................................................ 11 2. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 11 3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .............................................................................. 12 4. OBJETIVOS .......................................................................................................................... 13 4.1 Objetivo general ........................................................................................................... 13 5. ALCANCE ............................................................................................................................ 14 6. JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................. 14 7. MARCO TEÓRICO .............................................................................................................. 15 8. ANTECEDENTES ................................................................................................................ 22 8.1. Modelamiento hidráulico ............................................................................................ 22 8.2. Modelamiento en otras ciudades de Colombia ........................................................... 22 8.2.1. Santa Marta .......................................................................................................... 22 8.2.1.1. Red de distribución Santa Marta ................................................................... 22 8.2.1.2. Conexiones fraudulentas. .............................................................................. 23 8.2.1.3. Escasez debido a la severa sequía. ................................................................ 23 8.3. Bogotá ......................................................................................................................... 23 8.3.1. El manejo de las presiones altas .......................................................................... 25 8.3.2. El manejo de las bombas ...................................................................................... 25 8.3.3. Modelo hidráulico para la ciudad de Bogotá ...................................................... 25 8.4. Estudios realizados a nivel global con EPANET ........................................................ 25 8.4.1.Redes con presión deficiente ................................................................................. 25 8.5. Antecedentes del sistema de acueducto de Yopal ....................................................... 26 8.5.1. Derrumbe que colapsó líneas de conducción ...................................................... 26 8.5.2. Deslizamientos en los nacimientos de la quebrada la Tablona 2012 .................. 26 8.5.3. Caída de la banca de la carretera Yopal-El Morro ............................................. 26 8.5.4. Colapso de planta de tratamiento en 2011 .......................................................... 27 9. METODOLOGÍA .................................................................................................................. 27 9.1. Recopilación de información ...................................................................................... 27 9.2. Evaluación de la oferta y demanda del sistema de abastecimiento ............................ 28 9.3. Modelación hidráulica condición actual ..................................................................... 28 9.4. Puntos críticos y escenario futuro de la red ................................................................ 29 9.5. Análisis y conclusiones ............................................................................................... 29 10. DIAGNÓSTICO Y ASPECTOS GENERALES DEL MUNICIPIO ................................ 29 10.1. Ubicación .............................................................................................................. 29 10.2. División política .................................................................................................... 30 10.3. Climatología .......................................................................................................... 31 10.4. Precipitación .......................................................................................................... 32 10.5. Oferta hídrica del rio Cravo sur............................................................................. 33 10.7. Topografía, geología, suelos. ................................................................................ 38 11. PROYECCIÓN DE POBLACIÓN A 2045 ....................................................................... 41 11.1. Método aritmético. ................................................................................................41 11.2. Método gráfico ...................................................................................................... 44 11.3. Método geométrico ............................................................................................... 46 11.4. Población flotante del municipio........................................................................... 49 12. EVALUACIÓN DE OFERTA Y DEMANDA DEL SISTEMA DE ABASTECIMIENTO 51 12.1. Dotación bruta método de habitantes .................................................................... 51 12.2. Consumo no residencial ........................................................................................ 53 12.3. Caudal de diseño ................................................................................................... 55 13. MODELACIÓN HIDRAULICA, CONDICION ACTUAL ............................................. 57 13.1. Curva de consumo ................................................................................................. 58 13.2. Tuberías ................................................................................................................. 59 14. CALIBRACIÓN DEL MODELO ..................................................................................... 68 14.1.Calibración de pozos profundos ............................................................................. 69 14.2.Calibración de válvulas .......................................................................................... 69 14.3.Horario de calibración ............................................................................................ 69 14.4.Modelo calibrado.................................................................................................... 69 14.4.1. Sector 1-A ........................................................................................................ 69 14.4.2. Calibración de todos los sectores ................................................................... 70 15. PUNTOS CRÍTICOS Y ESCENARIO FUTURO DE LA RED ....................................... 72 16. RECOMENDACIONES .................................................................................................... 76 16.1. Plan de reducción de pérdidas ............................................................................... 76 16.2. Aumento de diámetros .......................................................................................... 80 16.3. Tubería adicional ................................................................................................... 83 17. ANALISIS DE RESULTADOS DE LAS ENCUESTAS ................................................. 86 18. CONCLUSIONES ............................................................................................................. 87 19. BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................... 89 20. ANEXOS ............................................................................................................................. 1 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Nivel de complejidad del sistema con respecto a la población....................................... 16 Tabla 2. Dotación neta máxima con respecto a la altura promedio sobre el nivel del mar .......... 17 Tabla 3. Factores de mayoración con respecto al nivel de complejidad del sistema .................... 18 Tabla 4. Temperatura media mensual multianual de estaciones cercanas en 2015 ..................... 31 Tabla 5 Valores Totales mensuales multianuales (mm/mes) (1984 – 2014) ................................ 32 Tabla 6. Probabilidad de excedencia de Caudal medio diario en m3/s ....................................... 35 Tabla 7. Sectores que se abastecen por bombeo a partir de pozos profundos .............................. 37 Tabla 8. Población de los censos realizados en Yopal.................................................................. 41 Tabla 9. Proyección método aritmético censos 1993 y 2005........................................................ 42 Tabla 10. Proyección método aritmético censos 2005 y 2018...................................................... 43 Tabla 11. Proyección método aritmético ...................................................................................... 43 Tabla 12. Censos ciudades método gráfico ................................................................................... 44 Tabla 13. Proyección de población para Yopal por el método grafico ......................................... 45 Tabla 14. Proyección de población por el método geométrico ..................................................... 46 Tabla 15. Población promedio de los métodos utilizados............................................................. 47 Tabla 16. Proyección de población DANE a el año 2045 ............................................................ 48 Tabla 17. Días festivos a nivel nacional ....................................................................................... 49 Tabla 18. Días festivos en Yopal Casanare .................................................................................. 50 Tabla 19. Consumo residencial casco urbano de Yopal. .............................................................. 51 Tabla 20. Consumo no residencial casco urbano de Yopal. ......................................................... 53 Tabla 21. Consumo no residencial de Yopal. ............................................................................... 54 Tabla 22. Caudales de diseño proyectados hasta 2045 ................................................................. 56 Tabla 23. Tubería modelada ......................................................................................................... 58 Tabla 24. Detalle tuberías en EPANET. ....................................................................................... 59 Tabla 25. Detalle válvula PRV en EPANET ................................................................................ 61 Tabla 26. Coeficiente de pérdidas para accesorios en EPANET. ................................................. 61 Tabla 27.Detalle válvula TCV en EPANET. ................................................................................ 62 Tabla 28. Coeficientes K para válvulas TCV. .............................................................................. 62 Tabla 29. Detalle Reservorio en EPANET. .................................................................................. 63 Tabla 30. Factor de densidad para las distintas áreas de la ciudad de Yopal ............................... 65 Tabla 31. Demanda y nodos otorgados a cada polígono .............................................................. 65 Tabla 32. Asignación de demanda residencial y no residencial al nodo 160. .............................. 67 Tabla 33. Demanda a 2020 y 2045 en l/s con pérdidas del 47,8% ............................................... 73 Tabla 34. Presiones año 2045 con población afectada, 10 am. ..................................................... 74 Tabla 35. Presiones año 2045 con población afectada, 3 am ........................................................ 76 Tabla 36. Caudal de diseño proyectado con el programa de reducción de pérdidas .................... 77 Tabla 37. Presiones año 2045, con reducción de pérdidas del 17%, 10 am ................................. 78 Tabla 38. Presiones año 2045, con reducción de pérdidas del 17%, 3 am. .................................. 80 Tabla 39. Presiones año 2045, con reducción de pérdidas del 17%, aumento de diámetro, 10 am. ....................................................................................................................................................... 81 Tabla 40. Presiones año 2045, con reducción de pérdidas del 17%, aumentode diámetro, 10 am. ....................................................................................................................................................... 83 Tabla 41. Presiones año 2045, con reducción de pérdidas del 17%, aumento de diámetro, tubería adicional, 10 am. ........................................................................................................................... 84 Tabla 42. Presiones año 2045, con reducción de pérdidas del 17%, aumento de diámetro, tubería adicional, 10 am. ........................................................................................................................... 86 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Mapa de división política rural. ..................................................................................... 30 Figura 2. Localización de las estaciones en estudio, respecto a la bocatoma. .............................. 31 Figura 3. Oferta y rendimiento hídricos en la cuenca del rio Cravo Sur ...................................... 33 Figura 4. Caudales medidos en la estación puente Yopal a 2005 ................................................ 34 Figura 5. Curva de probabilidad de excedencia para caudales medio diario de la estación puente Yopal ............................................................................................................................................. 36 Figura 6. Pozos profundos conectados a la red de distribución ................................................... 38 Figura 7. Mapa topográfico de Yopal ........................................................................................... 38 Figura 8. Topografía longitudinal de Yopal ................................................................................. 39 Figura 9. Curvas de nivel zona de acueducto a Puente la Cabuya. ............................................... 39 Figura 10. Suelos de expansión urbana de Yopal ......................................................................... 41 Figura 11. Grafica de proyección método aritmético ................................................................... 44 Figura 12. Gráfico de proyección de población por el método grafico ........................................ 45 Figura 13. Gráfico de proyecciones por todos los métodos utilizados. ........................................ 47 Figura 14. Curva de Consumo diaria de Yopal............................................................................. 59 Figura 15. Red de distribución en Google Earth........................................................................... 60 Figura 16. Asignación de nodos para los primeros 5 polígonos ................................................... 66 Figura 17. Asignación de la demanda no residencial al nodo Unicentro ...................................... 68 Figura 18. Mapa de presiones en m.c.a. para julio 2020 .............................................................. 69 Figura 19. Sector 1-A calibrado .................................................................................................... 70 Figura 20. Red de distribución calibrada ...................................................................................... 70 Figura 21. Pregunta 8 de la encuesta realizada ............................................................................. 71 Figura 22. Pregunta 6 de la encuesta realizada. ............................................................................ 72 Figura 23. Escenario de presiones año 2045, 10 am. .................................................................... 74 Figura 24. Escenario de presiones año 2045, 3am. ....................................................................... 75 Figura 25. Presiones año 2045, con pérdidas del 17%, 10 am...................................................... 78 Figura 26. Presiones año 2045, con pérdidas del 17%, 3 am........................................................ 79 Figura 27. Presiones año 2045, 17% de pérdidas, aumento de diámetro, 10 am .......................... 81 Figura 28. Presiones año 2045, 17% de pérdidas, aumento de diámetro, 3 am ............................ 82 file:///C:/Users/jtsan/Downloads/1-11-2021%201%20de%20la%20tarde%20(1).docx%23_Toc86708371 file:///C:/Users/jtsan/Downloads/1-11-2021%201%20de%20la%20tarde%20(1).docx%23_Toc86708381 Figura 29. Presiones año 2045, 17% de pérdidas, aumento de diámetro, tubería adicional, 10 am ....................................................................................................................................................... 84 Figura 30. Presiones año 2045, 17% de pérdidas, aumento de diámetro, tubería adicional, 3 am 85 1. RESUMEN Yopal es una ciudad de Colombia y la capital del departamento del Casanare, su sistema de distribución de agua potable es operado por la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Yopal (EAAAY). Recientemente se construyó una planta de potabilización, la cual aún no se encuentra en funcionamiento, con la cual se pretende dar solución a los problemas actuales del acueducto. Existe incertidumbre respecto a la capacidad de la red de distribución actual para garantizar un adecuado servicio, por lo cual en esta tesis se estudió el comportamiento de variables como la presión y el caudal, considerando el crecimiento de la población y la densificación del área urbana. Para lograr este objetivo se modelaron dos escenarios la red de distribución con las condiciones actuales y la condición futura al año 2045, utilizando el software EPANET 2.2. Los elementos de la red fueron obtenidos a partir de información primaria suministrada por la empresa EAAAY. Como resultado, se encontró que, en el escenario futuro del acueducto, la red no garantiza presiones para el uso doméstico en ningún punto de esta, por lo cual se propuso una reducción de pérdidas en el sistema, pasando de 47.8% a 17%, un aumento de diámetro en las tuberías mayores o iguales a 6 pulgadas y una nueva red de 654 metros con un diámetro de 8 pulgadas que conecta el sector 8-A con la vía Matepantano, obteniendo presiones que cumplen con la normativa colombiana. 2. INTRODUCCIÓN Colombia se podría considerar un país con una buena capacidad de abastecimiento de agua potable en las zonas urbanas, ya que en estas el 97% tiene acceso a el servicio de agua potable y en el sector rural sólo el 74% tiene derecho a este mismo servicio. Sin embargo, los sistemas de acueductos en Colombia presentan fallas, como es el caso de acueductos como el de la ciudad de Santa Marta y Yopal, donde dichos acueductos no cumplen lo estipulado por la ley 0330 que plantea las medidas necesarias para el correcto funcionamiento de estos. Por lo cual queda claro que, en Colombia, se hace necesario para el país el conocimiento de las consecuencias que genera condiciones insuficientes en los acueductos, y así evaluar los daños, generar planes de mejoramiento para dar cumplimiento a la ley. Así mismo, el incumplimiento de la ley, es un obstáculo para el desarrollo sostenible de las sociedades, debido a que provoca pérdidas no sólo económicas, sino ambientales por el desperdicio en cantidades millonarias del agua necesaria para la sostenibilidad, en el caso de la ciudad de Yopal, se encontró que al disminuir las pérdidas en el sistema a 17%, la ciudad estaría ahorrando más de 1.700.000 metros cúbicos anuales, es decir lo necesario para abastecer a 20.000 personas en la ciudad de Yopal en un año aproximadamente. Actualmente la ciudad de Yopal es abastecida por la Quebrada la Tablona en gran parte, y el sistema es complementado por pozos profundos que se encuentran distribuidos dentro de la ciudad. El acueducto ha venido presentando problemas desde 2011 ante el primer colapso de la planta de tratamientomodular ubicada en la vereda la Vega. Por estos motivos la ciudad ha planteado una nueva planta de tratamiento definitiva que se planea estará en uso para el año 2022, la cual planea abastecer por gravedad a toda la ciudad, sin el uso de los pozos profundos que se venían utilizando. Esta nueva planta genera nuevos problemas en la red debido a las caídas de presión generadas principalmente por la inhabilitación de los pozos profundos. Como solución orientada al cumplimiento de la ley 0330, se elaboró este proyecto de grado, para determinar los puntos críticos donde las presiones no cumplen con las necesarias, y se encontró que, en el escenario posterior con la nueva planta, toda la red de acueducto presentará presiones negativas, haciéndola ineficaz para la ciudadanía. Por lo cual se propuso principalmente, el aumento de los diámetros de las tuberías en 2 pulgadas, a todas las tuberías mayores o iguales a 6 pulgadas. 3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Los problemas que se han venido presentando desde 2011 ante el primer colapso de la planta de tratamiento modular ubicada en la vereda la Vega, y la carencia en el suministro enmarcan el evento problema objeto del presente estudio. Debido a estos problemas se ha empezado a realizar una nueva planta de tratamiento que pretende solucionar las dificultades actuales de discontinuidad y calidad del servicio de agua potable. Ante esto, buena parte de los casi 160.000 habitantes del casco urbano de Yopal padecen problemas asociados al suministro de agua, que perjudican su desarrollo socioeconómico, además de vulnerar su derecho fundamental al agua. El sector residencial utiliza un 89.5% frente a un 10.5% que utiliza el sector comercial. Además, se han generado problemas con la planta de tratamiento desde el 2011, cuando a causa de altas precipitaciones, se generó el primer colapso de ésta. Seguido de un derrumbe en la carretera Yopal – el Morro en el 2012 que afectó tuberías de conducción obligando a suspender el suministro por un tiempo. Estos sucesos, que han sido repetitivos, han dificultado a la Empresa de Acueducto, Alcantarillado y Aseo de Yopal (EAAAY) la construcción de un acueducto estable y duradero (Díaz, 2016). De este modo, el presente proyecto se sitúa en el tiempo, una vez entre a funcionar la planta de tratamiento. Procurando anticipar la aparición de zonas críticas con dificultades para el abastecimiento. Por ende, se hace necesario verificar si la red actual de acueducto soportará las nuevas presiones generadas al ser terminada la nueva planta. Teniendo en cuenta lo anterior, será necesario realizar una identificación y modelación de la red de abastecimiento con los nuevos caudales, con el fin de poder evitar posibles fallas en el servicio al momento de iniciar la futura planta. 4. OBJETIVOS 4.1 Objetivo general Evaluar el abastecimiento y las condiciones de operación de la red primaria del acueducto de Yopal con la nueva planta de potabilización, a través de la identificación de puntos críticos en la red primaria de abastecimiento, asociados a bajas presiones y discontinuidad en el servicio. 4.2 Objetivos específicos Identificar los factores que afectan el suministro de agua para la población actual de la ciudad de Yopal, a través de la recopilación de información suministrada por las entidades involucradas y la aplicación de encuestas. Verificar el abastecimiento de la red primaria a través de un diagnóstico sobre la oferta hídrica del rio Cravo Sur, validando su suficiencia para abastecer la demanda actual y futura del municipio de Yopal. Identificar por medio de software especializado y el análisis de información primaria y secundaria problemas asociados a bajar presiones y discontinuidad del servicio. 5. ALCANCE Realizar un documento diagnostico con el análisis de la red de distribución de agua potable del sistema de acueducto del municipio de Yopal con el propósito de identificar puntos críticos donde no se cumple la presión mínima establecida por la ley 0330 o se identifique discontinuidad en el servicio. Por medio del software EPANET se realizaron dos modelaciones, la primera modelación es basada en los datos de la red existente actualizada a junio de 2020 comprendiendo como red matriz todas las tuberías de 6 pulgadas en adelante. La segunda comprende la red usada en la primera modelación, pero con el aumento de la demanda de caudal debido a la nueva planta de potabilización, teniendo en cuenta únicamente el aumento de la población proyectada 45 años. Finalmente realizó el estudio de la oferta del rio Cravo Sur mediante el uso de datos históricos de las estaciones meteorológicas Puente Yopal, para obtener datos de caudal en las varias temporadas del año. 6. JUSTIFICACIÓN De acuerdo con las estadísticas de la Financiera del Desarrollo (Findeter) en su informe de agua potable y Saneamiento básico de 2017 en Colombia actualmente existe una brecha significativa entre el abastecimiento de agua potable en zonas urbanas y áreas rurales. En las zonas urbanas 97 de cada 100 personas pueden acceder a suministros de agua potable, mientras que en lo rural sólo 74 (de 100) obtienen este recurso (Martínez, 2017). Esto muestra la gran labor que debe desarrollar el país para lograr el objetivo 6 de desarrollo sostenible ODS establecidos por la ONU, el cuál propone que el 100% de la población tenga accesos a agua y saneamiento básico para el 2030 (ONU, 2015). Yopal al ser una ciudad que presenta un crecimiento económico y poblacional debido principalmente a la explotación petrolera. A lo largo de su historia ha presentado dificultades retrasos y falencias en sus obras para la distribución de agua potable, y que actualmente no existen estudios que muestren el estado de la capacidad actual de la red de distribución. Por ejemplo, desde la perspectiva del usuario, se convierte en una necesidad principal llevar a cabo este proyecto Partiendo de la necesidad que posee actualmente el municipio de Yopal. Son reportadas inconsistencias e inconformidades en el servicio de agua potable, dificultando el desarrollo económico y social del municipio. En consecuencia, se debe hacer un diagnóstico del sistema actual, para posteriormente generar alternativas para optimizar el sistema actual o generar un nuevo modelo de ser necesario. Esto se ejecutará partiendo de la aplicación de los conocimientos de la Ingeniería Civil, generando así un proyecto que permita el desarrollo y el beneficio de la comunidad. 7. MARCO TEÓRICO 7.1 Marco Teórico: Actualmente en Colombia el diseño de acueductos debe cumplir con los parámetros de la ley 0330 de 2017, por lo cual los valores obtenidos tendrán que satisfacer los requisitos mínimos según esta ley. Sin embargo, la norma RAS 2000 presenta la metodología y procesos a seguir para el diseño de acueductos pese a que algunos rangos han cambiado, por lo tanto, en este proyecto se usara el procedimiento estipulado en el RAS 2000 título A y B, teniendo en cuenta los valores establecidos en la Resolución 0330 de 2017. 7.1.1 Caudales y Dotaciones de agua La dotación es la cantidad de agua necesaria que llega a los usuarios del sistema de acueducto según la norma RAS 2000, teniendo en cuenta el nivel de complejidad según el número de habitantes en la zona. (Garzón, 2014). 7.1.2 Asignación del nivel de complejidad de una población Tabla 1. Nivel de complejidad del sistema con respecto a la población Nivel de complejidad Población en la zona urbana (habitantes) Capacidad económica de los usuarios (2) Bajo <2500 Baja Medio 2501 a 12500 Baja Medio Alto 12501 a 60000 Media Alto > 60000 Alta Adaptado de Evaluación patrones de consumo y caudales máximos instantáneos de usuarios residenciales de la ciudad de Bogotá. (p.8), por A. Garzón, 2014,http://www.bdigital.unal.edu.co/46260/ 7.1.3 Dotación neta Esta corresponde a la cantidad mínima de agua requerida para satisfacer las necesidades básicas de un habitante o suscriptor al sistema, esto sin tener en cuenta las pérdidas que ocurran en el sistema de acueducto. (Ministerio de Vivienda, 2010). Depende del nivel de complejidad del sistema y la altura del sitio donde se realiza el proyecto, a continuación, se presentan los valores de dotación neta máxima a usar según la Resolución 0330 de 2017. Tabla 2. Dotación neta máxima con respecto a la altura promedio sobre el nivel del mar Altura promedio sobre el nivel del mar de la zona atendida Dotación neta Máxima (l/hab*día) > 2000 m.s.n.m 120 1000-2000 m.s.n.m 130 <1000 m.s.n.m 140 Adaptado de Resolución 0330 de 2017. In Ministerio de Vivienda, Ciudad y Territorio. República de Colombia. (p.), por Minvivienda, 2017, http://www.minvivienda.gov.co/ResolucionesAgua/0330 - 2017.pdf 7.1.4 Pérdidas técnicas Corresponden a la diferencia de volumen de agua tratada medida en la salida de la planta potabilizadora y el volumen entregado a la población (Garzón, 2014), estas pérdidas no deben superar el 25% y se consideran en todos los componentes del sistema (conducciones, aducciones y redes) según la Resolución 0330 del 2017. 7.1.5 Dotación bruta Es la dotación que se calcula incluyendo perdidas en el sistema sin que afecte la dotación neta. La dotación bruta se calcula según la ecuación indicada por la Resolución 0330 del 2017 de la siguiente manera: Ecuación. 1 𝑑𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 = 𝑑𝑛𝑒𝑡𝑎 1 − %𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 Donde: dbruta: Dotación bruta dneta: Dotación neta %pérdidas: Porcentaje de pérdidas técnicas máximas para diseño 7.1.6 Factores de mayoración Para determinar los factores de mayoración k1 y k2, se debe tener en cuenta el nivel de complejidad del sistema, según la Resolución 0330 del 2017 para poblaciones menores o iguales de 12.500 habitantes lo que es igual a un nivel de complejidad bajo y medio, el factor k1 no podrá ser superior a 1.3 ni el factor k2 superior a 1.6, en cambio, para poblaciones mayores a 12.500 habitantes, el fator k1 no podrá superar el valor de 1.2 ni el factor k2 superior a 1.5. Tabla 3. Factores de mayoración con respecto al nivel de complejidad del sistema Nivel de complejidad k1 k2 Bajo 1.3 1.6 Medio 1.3 1.6 Medio Alto 1.2 1.5 Alto 1.2 1.5 Adaptado de Resolución 0330 de 2017. In Ministerio de Vivienda, Ciudad y Territorio. República de Colombia. (p.), por Minvivienda, 2017, http://www.minvivienda.gov.co/ResolucionesAgua/0330 - 2017.pdf En este caso, teniendo en cuenta que en el sistema se presenta en un nivel de complejidad alto, y siguiendo los lineamientos de la Resolución 0330 de 2017, se adoptaría un coeficiente k1 de 1.2 y un k2 de 1.5. 7.1.7 Caudales de diseño Son los caudales que se usan para el diseño de cada uno de los componentes de un sistema de acueducto 7.1.7.1 Caudal medio diario. Se representa con las siglas “Qmd”, es el promedio de los consumos diarios de caudal en un periodo de un año, el cual se calcula de la siguiente manera(Ministerio de Vivienda, 2010): Ecuación. 2 𝑄𝑚𝑑 = 𝑁𝑜. 𝑠𝑢𝑠𝑐𝑟𝑖𝑝𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 ∗ 𝑑𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 30 Donde, Qmd: caudal medio diario dbruta: dotación bruta, dada en metros cúbicos/suscriptor mes. 7.1.7.2 Caudal Máximo Diario. Se representa con las siglas “QMD”, es el consumo máximo que se registra en 24 horas a lo largo de un periodo de un año, y se puede calcular de la siguiente manera(Ministerio de Vivienda, 2010): Ecuación. 3 𝑄𝑀𝐷 = 𝑄𝑚𝑑 ∗ 𝑘1 Donde: QMD: Caudal máximo diario k1: coeficiente de consumo máximo diario 7.1.7.3 Caudal Máximo Horario. Se representa con las siglas “QMH”, es el consumo máximo que se registra en una hora en un periodo de un año y no tiene en cuenta el caudal de incendio, se puede calcular de la siguiente manera(Ministerio de Vivienda, 2010): Ecuación. 4 𝑄𝑀𝐻 = 𝑄𝑀𝐷 ∗ 𝑘2 Donde: Qmd: caudal medio diario k2: coeficiente de consumo máximo horario 7.2 Marco Conceptual 7.2.1 Conducción Hace referencia a la tubería que transporta el agua entre el desarenador y el tanque de distribución, la conducción se puede dar en diferentes condiciones dependiendo del terreno en el que se cuente (López, 1995). 7.2.2 Presiones de servicio mínimas En el territorio colombiano, los diseños de redes de distribución deben cumplir con unas presiones mínimas para garantizar un buen servicio para la comunidad, esta presión mínima es de 15 metros columna de agua (m.c.a.) es decir que sí se abriera la tubería madre de cada domicilio el chorro de agua alcanzaría mínimo 15 metros. Esto para poblaciones mayores a 12500 habitantes, ya que, para poblaciones menores a esta, se puede diseñar con una presión mínima de 10 m.c.a. (Minvivienda, 2017) 7.2.3 Red de distribución Se le da el nombre de "red de distribución" al conjunto de tuberías cuya función es la de suministrar el agua potable a los consumidores de la localidad (López, 1995) 7.3 Marco Legal 7.3.1 Ley 0330 En el presente se adoptaron todas las medidas definidas por la ley 0330 la cual pretende estipular todos los requerimientos para todas las etapas en la construcción de acueductos y alcantarillados para brindar agua potable y saneamiento básico. Estas etapas son: Planeación, diseño, construcción, operación y mantenimiento. (Minvivienda, 2017) Además de las normas, leyes y demás que se presentan a continuación: 7.3.2 Decreto número 1575 de 2007 Este decreto que pretende generar un sistema que permita la protección y el buen manejo del recurso hídrico público, exceptuando el agua envasada. (Ministerio de la protección social, 2007) 7.3.3 Decreto 849 de 2002 El cual pretende definir los requerimientos en cuanto a sistemas de acueducto y saneamiento básico, además de permitir de acuerdo con los requerimientos el cambio de la destinación de inversión pública y la elegibilidad de las obras a financiar (Ministerio de Desarrollo Económico, 2002). 7.3.4 Resolución no. 1096 de 2000 Tiene como finalidad definir los requerimientos técnicos de todas las obras referentes al uso del agua potable en Colombia, y de igual manera regular a todas las entidades, para priorizar las necesidades de la población y asegurar la sostenibilidad y viabilidad del proyecto (Ministerio de desarrollo economico, 2000). 7.4 Marco contextual 7.4.1 Descripción de la ciudad de Yopal Yopal, capital del departamento del Casanare, se caracteriza por ser una ciudad intermedia cuya actividad económica gira en torno a la agricultura, la ganadería y el comercio, ésta última por representar un importante punto de inversiones a nivel de cadenas comerciales, lo que le permite crecer a nivel económico y poblacional. Esta ciudad ha tenido un gran desarrollo a lo largo de los últimos años, incluyendo la construcción del aeropuerto El Alcaraván. En cuanto a sus características climatológicas y ambientales se presenta el clima húmedo en la zona del piedemonte llanero, templado y frío en las zonas montañosas y tropical en la zona de la sabana; además de las cuencas del Río Charte y del Río Cravo Sur. 8. ANTECEDENTES 8.1. Modelamiento hidráulico Recientemente el marco que rodea el modelamiento hidráulico ha venido cambiando debido a las nuevas tecnologías y nuevo software cada vez más eficiente y pragmático. EPANET de uso abierto que fue lanzado por primera vez en 1993 por la Environmental Protection Agency (USEPA), y se ha vuelto la herramienta primaria para el modelado hidráulico y los sistemas de distribución de agua potable, tanto en el ámbito comercial como en la investigación. Posee una interfaz gráfica que permite al usuario crear y generar diversos gráficos frente a unared de distribución (Sela et al., 2019) 8.2. Modelamiento en otras ciudades de Colombia 8.2.1. Santa Marta Este es un sistema de acueducto que abastece a más de medio millón de habitantes entre la zona urbana y lo rural, y sin contar con población flotante. La empresa encargada del servicio es METROAGUA S.A E.S.P. La cual suple a la ciudad mediante 4 fuentes principales como los son el rio Manzanares, Piedras y Gaira, además del acuífero de Santa Marta. Desde los ríos manzanares y Pierdas se transporta el agua por medio de una aducción hasta la planta de tratamiento de Mamatoco, mientras el Gaira transporta a la planta El Roble y el acuífero posee 18 pozos profundos que toman el agua desde la parte norte de la ciudad. 8.2.1.1. Red de distribución Santa Marta La red de distribución del sistema está dividida en dos grandes subsistemas, uno que abastece la parte norte de la ciudad por la planta de tratamiento Mamatoco, la cual mediante 14 pozos profundos extrae del acuífero de Santa Marta el agua para esta zona de la ciudad. Por otro lado, está el sistema sur que es abastecido por el río Gaira y la planta de tratamiento El Roble, la cual además posee otros 4 pozos profundos que complementan el abastecimiento. Entre los dos subsistemas cuentan con más de 929 Kilómetros de tubería hecha de muchos tipos de materiales y cuyos diámetros oscilan entre 3 y 36 pulgadas, tiene 26 tanques de almacenamiento y 17 estaciones de bombeo. Posee un sistema de sectorización complejo, ya que cuenta con 25 sectores, de los cuales 6 son parte del sistema sur y 19 parte del sistema norte. Esto permite generar pequeños sistemas con menos complicación, y no un solo sistema más complejo, todo con el fin de controlar las presiones y el flujo en la red. 8.2.1.2. Conexiones fraudulentas. Las dos plantas de tratamiento, El Roble y Mamatoco tienen un 46.8% como índice de agua no contabilizada, sin embargo, esto no se debe sólo a los desperdicios generados por las tuberías sino en gran parte es debido a conexiones fraudulentas por parte de algunos ciudadanos. Esto genera problemas de sobrecostos en la operación debido a que se generan ingresos totales menores a los previstos, constituyéndose como una problemática de tipo social. 8.2.1.3. Escasez debido a la severa sequía. La sequía en la ciudad ha sido tan excesiva que inclusive en el 2016 fue declarado estado de emergencia debido a la falta de agua. Este problema afecta únicamente a las fuentes abastecedoras de los ríos Manzanares y Piedras, ya que estos se secan hasta un caudal menor a 1 metro cúbico por segundo y por lo tanto se quedan sin forma de abastecer la población. Según los estudios realizados se estima que para 2064 el déficit de demanda total entre las diferentes fuentes abastecedoras será de 5.22 l/s. Situación que requiere análisis por parte de los organismos correspondientes. 8.3. Bogotá El sistema de distribución de agua potable en la ciudad de Bogotá suple aproximadamente a 9 millones de personas del servicio de agua potable. Cuenta con patrón de precipitaciones bimodal durante los meses de marzo a mayo en el primer semestre del año y de septiembre a noviembre en el segundo, la mayoría de la ciudad se encuentra en zonas planas, sin embargo y para facilidad del sistema, debido a que la zona oriental posee unas pendientes altas por la topografía de la zona. No es necesario usar bombeo y se abastece por gravedad. Aunque esto permite abastecer sólo a la zona oriental de Bogotá, mientras que en el occidente se cuentan con tanques de almacenamiento que funcionan a través de un sistema de bombeo. Además, el acueducto de Bogotá también suple municipios aledaños como Soacha, Gachancipá, Sopo y otros. Generando un caudal promedio de 15.73 m3/ s para abastecer a todos los municipios y Bogotá siendo este último el que mayor demanda con 14.18 m3/s. Este acueducto es un claro ejemplo de un sistema que ha tenido que realizar mejoras constantemente debido al aumento paulatino de la demanda a través de los años, lo cual ha implicado crear planes de acción que incluyen optimizaciones de los sistemas de distribución, materiales y equipos más eficientes para el suministro de agua y la modificación de las tarifas de acuerdo con el comportamiento de la demanda. Debido a la complejidad del sistema, la red de distribución cuenta con 2 sistemas en general, un sistema macro que incluye el sistema de aducción, tanques reservorios, plantas de tratamiento de agua, tuberías de diámetro mayores a 12 pulgadas y tanques de reserva. En sí toda la macroestructura, cuenta con un segundo sistema que posee el sistema a nivel micro, como lo son tuberías menores de 12 pulgadas accesorios que permiten el funcionamiento del sistema mediante la regulación de variables como la presión, velocidad y caudal en todas las redes domiciliarias. Se abastece mediante 3 puntos, los cuales son: Sistema Norte, Sistema de Chingaza y Sistema Sur. Todos los sistemas se encargan de abastecer a una zona específica de la ciudad, cada uno cuenta con varios tanques reservorios y tienen una capacidad total de 1226 millones de metros cúbicos. Como es de esperarse para un sistema de acueducto de esta complejidad, los problemas no escasean, las dificultades más notables que presenta la red de distribución son: 8.3.1. El manejo de las presiones altas La empresa de acueducto debe estar constantemente al tanto de los valores de las presiones en toda la red, debido a que es común que se presenten cambios drásticos en estos valores de presión en cortos periodos de tiempo, lo cual requiere una acción inmediata por parte de los operarios ya que esto puede generar daños en la estructura en el momento del cambio de presión, no solo en el momento de la contingencia, sino también a futuro. Algunos de estos casos se han dado por fallas en los sistemas automatizados o mala calibración de accesorios, por lo cual es transcendental las buenas prácticas de mantenimiento del sistema. 8.3.2. El manejo de las bombas Las bombas en la red de distribución son sistemas redundantes que trabajan en conjunto con los tanques de almacenamiento. Cuando se desea realizar mantenimiento a dichos tanques las bombas deben suplir el suministro de estos para que sea constante. 8.3.3. Modelo hidráulico para la ciudad de Bogotá Para el modelamiento de los dos sistemas principales de red de distribución han sido usados softwares como WATER CAD, WATER GEMS y EPANET, empleados para realizar simulaciones de la red, y así ver su comportamiento ante cambios y modificaciones. También para el manejo de posibles fallas o contingencias. Sin embargo, conocer anticipadamente los sitios de la red donde se presentan o presentarán fallas es lo más significativo. De este modo, es posible plantear diferentes alternativas. (Londoño et al., 2017) 8.4. Estudios realizados a nivel global con EPANET 8.4.1. Redes con presión deficiente Cuando se presentan presiones negativas o deficientes en los nodos de EPANET, normalmente se plantean métodos iterativos que plantean diferentes relaciones de flujo para dar solución a las necesidades requeridas, sin embargo, el autor Sayyed, plantea un método que permite realizar estos cálculos sin necesidad de iterar en EPANET a través de una cadena artificial con accesorios, como la válvula de control de flujo y emisora. Agregándolas a una serie en cada nodo de demanda para modelar estos puntos con deficiencia de presión. El modelo consiste en usar reservorios artificiales en los puntos críticos y usar el caudal que se tiene para conocer el agua disponible (Abdy Sayyed et al., 2014). 8.5. Antecedentes del sistema de acueducto de Yopal 8.5.1. Derrumbe que colapsó líneas de conducción Debido a fuertes precipitaciones en septiembre de 2015, se presentóun deslizamiento en la Vereda la vega, produciendo el colapso de las líneas de conducción de la quebrada La Tablona, actual fuente de abastecimiento, generando la suspensión del servicio. Posteriormente se rehabilito únicamente con una línea de conducción lo cual redujo proporcionalmente el caudal abastecedor de la población. 8.5.2. Deslizamientos en los nacimientos de la quebrada la Tablona 2012 El mismo año de la caída de la carretera por las mismas precipitaciones se presentaron represamientos de agua en la quebrada La Tablona y acumulación de escombros en la quebrada Agua blanca la cual tributa a la quebrada La Tablona. 8.5.3. Caída de la banca de la carretera Yopal-El Morro A mediados del mes de mayo de 2012, también en la época invernal, debido a una creciente del rio Cravo Sur, en la vía Yopal – El Morro se vio arrasada la banca en un tramo de 70 metros aproximadamente, adicional a esto, fueron afectadas las tuberías de conducción provenientes de la bocatoma de la quebrada La Tablona, impactando el servicio de agua potable de la comunidad, debido a la suspensión del servicio por un tiempo. 8.5.4. Colapso de planta de tratamiento en 2011 En el 2011 a inicios del mes de mayo se presentaron grandes lluvias torrenciales de más de 500mm en el mes, que provocaron la saturación de los cerros cercanos a la planta de tratamiento y cuyos excesos generaron grandes movimientos de tierra que afectaron la planta de tratamiento y los tanques de almacenamiento, junto con las viviendas cercanas. 9. METODOLOGÍA El desarrollo de esta investigación se desarrollará en 3 etapas, siendo estas: fase de recopilación de información solicitud de información, visitas de campo, identificación de aspectos vulnerables del acueducto actual de Yopal. 9.1. Recopilación de información En esta primera etapa se realizó un estudio del acueducto actual en Yopal y sus características, como de la nueva planta de tratamiento, por medio de recopilación de información primaria y secundaria, la primaria suministrada por la empresa EAAAY que consiste en: - Datos de consumo en micromedidores domiciliarios. - Índice de agua no potabilizada (Pérdidas cuantificadas en el sistema actual) - Planos de las redes de distribución Primaria o Matriz. - Registros de presiones en la red primaria. - Curva de modelación horario o de consumo diario. - Puntos de pitometría en la red primaria. Esta información constituyó los insumos para la modelación en el software EPANET para tratar los datos y obtener resultados de presión y caudal de la red matriz de la ciudad. Además, para conocer las perspectivas de la población frente al servicio de acueducto actual se realizó una encuesta (Ver anexo 4) 4 con la siguiente estructura: las primeras 3 preguntas plantean indagar sobre la constancia del suministro en términos diarios, y las siguientes sobre el valor del servicio y las alternativas de abastecimiento de los hogares. Los datos obtenidos serán analizados de manera cuantitativa para conocer la posición y los puntos más críticos que tiene el acueducto según la población. Fue realizada una visita técnica al área de estudio y a instituciones como La empresa de Acueducto de Yopal, la alcaldía de Yopal y las estructuras existentes del acueducto actual y futuro. Con el fin de fortalecer la información obtenida y obtener información primara por medio de fotografías. 9.2. Evaluación de la oferta y demanda del sistema de abastecimiento En esta etapa se pretende realizar un estudio de la oferta hídricas de las diferentes fuentes de abastecimiento superficiales de Yopal, como lo son los ríos Cravo Sur y la quebrada La Tablona. En principio se realizará el estudio utilizando datos históricos de las estaciones meteorológicas Puente Yopal y El Morro, obteniendo así datos necesarios para aplicar el método estipulado en el RAS 2000 y teniendo en cuenta los parámetros de la resolución 0330 del 2017, para obtener el caudal de diseño para la demanda de la ciudad de Yopal y compararlo con la oferta disponible del rio. 9.3. Modelación hidráulica condición actual En la segunda etapa se realizó, teniendo en cuenta la información primaria obtenida en la etapa uno, especialmente la información proveniente de la empresa EAAAY, esta etapa se desarrollará de forma cuantitativa por medio del uso del software EPANET con el cual se pretende realizar un modelo de la red matriz con los accesorios actuales, añadiendo accesorios como válvulas, bombas y tanques reservorios. Teniendo en cuenta los accesorios ya presentes en la red actual. Mediante el modelo realizado se pretende evaluar la red y obtener un caudal máximo posible antes de fallas por presiones. Finalmente, la calibración del modelo se realizará comparando las presiones obtenidas con las presiones dadas en la información obtenida de la empresa de acueducto EAAAY con un rango de error del 5%. 9.4. Puntos críticos y escenario futuro de la red Con base en la modelación de la etapa 3 se definirán los puntos críticos, es decir todos los puntos donde la presión sea mayor o menor a la establecida en la resolución 0330 la cual estipula que se debe poseer una presión ideal entre 15 y 60 metros columna de agua (m.c.a). Además, se realizará una simulación de la red con el aumento del caudal debido a la nueva planta de tratamiento. 9.5. Análisis y conclusiones El análisis se realizará mediante una comparación de las presiones encontradas. De este modo se verificará cuantificablemente la existencia o no de los puntos críticos. 10. DIAGNÓSTICO Y ASPECTOS GENERALES DEL MUNICIPIO 10.1. Ubicación Yopal es un municipio, y capital, de Casanare, localizado en la zona occidental en las coordenadas geográficas 5°20′50″N 72°23′26″O, limita al norte con el municipio de Nunchía (Casanare) y Labranzagrande y Paya (Boyacá), al este con Nunchía y San Luis de Palenque (Casanare), al sur con Orocué y Maní (Casanare) y al oeste con Aguazul (Casanare). Esta capital cuenta con varios corregimientos como lo son El Morro, La Chaparrera y Tilodirán, además posee 2 centros poblados. Yopal registra para enero de 2017: - 47549 predios urbanos ubicados en el casco urbano de Yopal. -19084 predios rurales ubicados a lo largo de sus 2532 Km2 de área total. El área de estudio se encuentra localizada en el casco urbano de Yopal la cual cuenta con el número de predios mencionados, los cuales deben ser abastecidos por el acueducto del Municipio. Este es un sector conformado por paisajes urbanísticos de la ciudad y cuenta con una altitud entre 300 y 1200 metros aproximadamente. (Boletín Casanare, 2019). 10.2. División política Yopal se encuentra dividida en 10 corregimientos que se dominan a continuación: El Charte con 12 veredas, el Morro con 18, Mata de limón con 6, La chaparrera con 10, Alcaraván La Niata con 10, Tilodirán con 7, Morichal con 12, Tacarimena con 8, Punto nuevo con 6 y Quebrada seca con 3 veredas. Para un total de 92 veredas en la ciudad de Yopal, y que detallan en la siguiente Figura. Figura 1. Mapa de división política rural. Fuente: Alcaldía de Yopal-Casanare, 2010 10.3. Climatología Para los estudios hidrográficos y de oferta hídrica de las fuentes abastecedoras de Yopal, se tomaron en cuenta las estaciones más cercanas, como lo son la estación El Morro, de tipo Pluviométrica PM, la estación del aeropuerto Yopal de tipo Climatológica Principal CP, La estación Puente Yopal de clase Limnigráfica LM. Figura 2. Localización de las estaciones en estudio, respecto a la bocatoma. Fuente. IDEAM, 2016 La temperatura de la zona ha sido medida por las entidades encargadas de las estaciones meteorológicas, las cuales realizaron un estudio con 13 estaciones, pero de las cuales sólo 8 se encuentran en la zona hidrológica del rio Cravosur, y cuyos resultados se muestran en la tabla 4. Tabla 4. Temperatura media mensual multianual de estaciones cercanas en 2015 ESTACIÓN ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC AÑO CARIMAGUA 24,6 25,5 25,7 24,5 24,6 23,6 22,9 23,1 23,5 23,6 24,6 24,3 24,2 TUNE EL 14,2 14,2 14 14,3 14,4 14 13,8 14 14,6 14,2 14,6 15 14,3 AGUAZUL 25,9 26,1 25,3 24,2 23,8 23,8 23,5 24 24,5 23,5 24,7 25,1 24,5 CORINITO 19,5 19,7 19,7 19,3 19 18,6 18,1 18,3 18,8 19 19,3 19,5 19,1 APTO YOPAL 27 27,4 27,1 25,7 25,4 24,8 24,3 24,5 24,8 25,4 25,4 25,7 25,6 MODULOS 26,3 26,5 26,2 25,7 25,3 24,7 24,7 24,3 25,1 25,4 25,6 25,7 25,5 CARDON EL 8,3 7,3 7,4 7,1 7,3 6,6 6,4 5,9 6,5 7 8,5 8,5 7,2 TAMARA 20,9 21 21,2 20,8 20,2 19,3 19 19 19,8 20,2 20,6 20,8 20,2 Fuente. CORPORINOQUIA, 2015 Se aprecia que los datos fueron medidos no solo en el Yopal sino a su vez en municipios vecinos, por los cuales pasa el rio. Y se aprecia una temperatura máxima de: - Temperatura máxima: 27.4°C - Temperatura mínima: 24.3° C 10.4. Precipitación El Análisis de la precipitación para el rio Cravo Sur y la quebrada la Tablona se realiza mediante estudio de las estaciones climatológicas que provee el IDEAM. La distribución de la precipitación es de carácter mono modal, Los valores totales mensuales en las estaciones de la cuenca del rio Cravo Sur se pueden observar en la tabla 5. Tabla 5 Valores Totales mensuales multianuales (mm/mes) (1984 – 2014) ESTACIÓN ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC AÑO CARIMAGUA 21,3 49,3 105 271 384 405 316 247 257 221 165 57,5 2498 PORTERITO 13,5 26,8 50,7 103 115 107 111 97,4 101 97,3 70,9 26,4 894 SISBACA 20,9 36,2 65,5 121 190 200 199 192 154 132 81,9 35,7 1428 TUNE EL 21,5 38,5 66,9 133 126 109 116 93,1 90,1 116 90,8 33,8 1034 CINTAS LAS 26,6 45,5 65,6 130 133 164 182 150 105 124 92,3 43,2 1260 TOQUILLA 17,1 32,7 68,4 126 155 205 193 167 139 128 73,3 32 1337 TAMARINDO 12,1 27,5 74,4 253 281 276 238 191 198 197 133 32,9 1914 PAJARITO 26 53,1 136 324 407 471 461 421 355 297 190 67,3 3208 SAN JOSE 9,2 27,5 91,4 236 279 285 254 203 189 240 132 26,7 1972 AGUAZUL 14,2 19,5 128 302 427 411 338 299 327 280 157 47,7 2748 CORINTO 43,8 65,5 143 280 408 434 373 396 350 332 281 98,5 3203 MORRO EL 15,9 65,4 155 403 533 551 509 398 403 386 98,5 79,4 3597 M D. CASANARE 6 37,7 94,6 288 336 300 302 168 247 230 130 43,9 2183 CHAPARRERA LA 5,9 47,4 103 281 373 343 305 196 268 250 143 48,1 2363 DESHECHO HDA EL 8 43,1 70,8 202 302 275 247 218 207 202 143 40 1958 APTO YOPAL 11,6 47,7 122 265 372 328 353 281 163 268 130 44,6 2385 OROCUE 12,6 34,1 80,6 205 275 305 246 197 199 196 143 49,5 1942 Fuente. (CORPORINOQUIA, 2015) Donde se puede observar que la estación Apto Yopal cuenta con precipitaciones altas en los meses de mayo a julio con una precipitación máxima de 352.7 mm en el mes de Julio, y un periodo seco entre noviembre y enero, con un valor mínimo de 11.6 mm en el mes de enero. 10.5. Oferta hídrica del rio Cravo sur Esta zona se encuentra entre las coordenadas 72°45’ a 71°29’ de longitud oeste y 5°56’ a 4°40’ de latitud norte. Ubicándose hacia la zona este de la cordillera oriental, lo cual hace que esta pertenezca a varios municipios y departamentos, en los cuales se incluye Boyacá, y la Orinoquia, por ejemplo, su representación gráfica es mostrada a continuación. (POMCAS, 2015) Este rio cuenta con registros históricos de caudales debido a la importancia del rio como fuente abastecedora para ciudades importantes del país, estos caudales se midieron mediante las estaciones meteorológicas mencionadas anteriormente. El POMCAS 2015 de CORPOBOYACÁ muestra la cuenca con las ofertas hídricas en cada estación como se muestra a continuación. Figura 3. Oferta y rendimiento hídricos en la cuenca del rio Cravo Sur Fuente. CORPOBOYACA, 2015 Donde se puede apreciar que la estación “Puente Yopal” está ubicada en la zona del municipio de Yopal cuenta con una oferta de 88.26 m3/seg, cuyo valor en comparación con las estaciones aledañas es cercano a la estación “El Playon”, y está muy por debajo de la estación “La Estación”. Que cuenta con una oferta medida de 232.62 m3 /seg, es decir más del doble que la estación Puente Yopal. A continuación, se muestra los resultados de las estaciones mencionadas, entre los años 1983 – 2003 con los valores promedio según el mes del año, mostrando los caudales máximos, mínimos y promedios, de la estación Puente Yopal, la cual es se encuentra en el rio principal del cuerpo de agua del Cravo sur, por lo cual se usó para los cálculos correspondientes. Figura 4. Caudales medidos en la estación puente Yopal a 2005 Fuente. CORPOBOYACA, 2015 En donde se puede observar: - Caudal mínimo: 22.43 m3 / s - Caudal medio: 161.9 m3 / s - Caudal máximo: 561.5 m3 / s Obteniendo por medio de los datos de las estaciones caudales entre 22.43 m3/s y 561.5 m3/s, lo cual muestra que el rio cuenta con una capacidad de abastecimiento más que suficiente, ya que la demanda proyectada hasta el 2045 es tan sólo de 1.2 m3/s por lo cual se puede concluir con certitud que el rio Cravo Sur, inclusivo con el caudal mínimo puede abastecer a la ciudad sin problema. Además, se realizó el cálculo de caudal mínimo por medio de una curva de probabilidad de excedencia de caudal, que detalla a continuación. Para el cálculo de la oferta hídrica del caudal se tomaron los datos históricos de Caudal medio diario de la estación Puente Yopal, y de acuerdo con estos se realizó una curva de la probabilidad de excedencia de caudal, es decir, se estipulo la probabilidad de suceso de cada caudal obtenido mediante los datos, donde 100% significa que el caudal mínimo que puede garantizar el rio con seguridad, y 0% significa que el caudal no tiene probabilidad de repetirse. En el presente trabajo se decidió trabajar con una probabilidad del 98%, por lo tanto, exista sólo 2% de probabilidad de que el rio no satisfaga la demanda mencionada en las siguientes figuras. Tabla 6. Probabilidad de excedencia de Caudal medio diario en m3/s % De excedencia Caudal m3/s 100 10 98 25 95 53 90 116 80 182 70 303 60 479 50 664 40 868 30 1128 20 1467 10 2068 0 9999 Donde de acuerdo con los datos condensados en la Tabla 6. se graficó el porcentaje de excedencia frente a el caudal medio diario como se muestra en la figura 5. Figura 5. Curva de probabilidad de excedencia para caudales medio diario de la estación puente Yopal Concluyendo con este método que el río posee un caudal mínimo de 25 m3/s teniendo una probabilidad de ocurrencia del 98%, y una probabilidad del 100% de abastecer mínimo 10 m3/s a el acueducto de Yopal sin contar el caudal ecológico. En el presente proyecto se trabajará con el 98% de probabilidad, ya que el 100% podría ser o representar un error en la medición de datos históricos y no es totalmente confiable. Además, incluso si se presenta un periodo de estiaje igual al máximo medido desde 1974, el rio de igual manera tendrá la capacidad de abastecer el acueducto de la ciudad de Yopal. 10.6. Pozos profundos Con el fin de satisfacer la demanda de la ciudad de Yopal, en el año 2012 se realizó la construcción de un sistema integrado de 8 pozos profundos, abastecidos por aguas subterráneas encontradas a 500 metros desde la rasante. Este sistema cuenta con un tratamiento para las aguas y un tanque de almacenamiento aéreo de aproximadamente 1000m3 de capacidad, conectados a la red de distribución, donde cada tanque suministra un sector predeterminado. 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 0 20 40 60 80 100 120 C au d al m 3 /s Probabilidad de Excedencia % de excedencia de Cmd m3/s Tabla 7. Sectores que se abastecen por bombeo a partir de pozos profundosNombre de pozo profundo Horas de operación Caudal de abastecimiento (l/s) Sector atendido Cantidad de población atendida (Habitantes) Villa maría II 24 20 4A-4B (Principalmente) 16615 Braulio Campestre 12 12 8-8A 4815 Manga Coleo 24 46 5B-5C-6 (Principalmente) 24705 6A (Alternamente solo en las noches) Materno infantil 12 12 6A 1975 Central de Abastos 24 66 7A - 7B (Principalmente) 34690 Zaranda 12 12 3A 2325 Américas 12 12 11A - 11B 1755 Llano lindo II 12 42 10 ó comuna 6 10000 Fuente. (EAAAY, 2016) Cabe resaltar que la empresa de acueducto EAAAY ha manifestado en prensa que no planea continuar con el sistema de abastecimiento por pozos profundos una vez entrada en funcionamiento la nueva planta de tratamiento definitiva, debido a los altos costos de operación que representan. A continuación, se muestra la ubicación de los pozos profundos y junto con el sector que abastece cada uno de estos. Figura 6. Pozos profundos conectados a la red de distribución Fuente: Alcaldía de Yopal 2016. 10.7. TOPOGRAFÍA, GEOLOGÍA, SUELOS. Por su topografía el municipio presenta tres pisos térmicos, cuyas áreas son: Cálido 1906 km², Medio 106 km² y Frío 25 km². Además, el municipio por su cercanía a la cordillera oriental presenta una topografía no uniforme en el casco rural, en el cual se ubica sobre un terreno quebrado en donde la altitud varía mucho en poca longitud. El casco urbano se ubica sobre una superficie llana la cual presenta pendientes en promedio del 1.2%. (Gonzales 2015). - Altitud máxima: 2.527 m - Altitud media: 500 m - Altitud mínima: 201 m La cabecera urbana del municipio se ubica cerca de los 340 m.s.n.m. como se muestra a continuación mediante la imagen satelital tomada desde Google Mapas. Figura 7. Mapa topográfico de Yopal Fuente. Topografic Maps, WEB (2020). Figura 8. Topografía longitudinal de Yopal Fuente: Google Earth 10.7.1. Pendiente del terreno: Para el cálculo de la pendiente del terreno se realizó mediante el uso del software, AutoCAD, Google Earth, Global Mapper, un mapa de altimetría con cotas cada 20 metros, para digitalizar las curvas de nivel de la zona en un mapa como se muestra a continuación. Figura 9. Curvas de nivel zona de acueducto a Puente la Cabuya. 10.7.2. Clasificación de suelos: La clasificación del suelo se fundamenta dentro de los preceptos establecidos en el artículo 30 de la Ley 388 de 1997, la cual establece las clases de: Urbano, de Expansión urbana, Rural (dentro de esta clase se establece la categoría de suburbano), de Protección (esta puede estar dentro de las demás clases). En este contexto, la clasificación del territorio municipal se establece de la siguiente forma: Suelo de expansión urbana: El suelo de expansión lo constituye la porción del territorio municipal destinada a la expansión de la ciudad, que se habilitará para los futuros desarrollos urbanísticos de la ciudad. En términos generales se proponen tres áreas de expansión, la primera y la segunda, se intervendrán una vez se densifiquen las áreas vacantes al interior del suelo urbano y una vez este formulado el Plan Maestro de Acueducto y Alcantarillado, además de la formulación del respectivo plan parcial. La tercera área de expansión se propone como suelo de reserva, en donde el municipio iniciara la conformación de un banco inmobiliario (acorde con el artículo 118 de la Ley 388 de 1997), y solo se podrá utilizar hasta tanto no estén consolidadas las áreas de expansión 1 y 2, y no antes de la vigencia de largo plazo del POT. Figura 10. Suelos de expansión urbana de Yopal Fuente. (POT-YOPAL,2013) De acuerdo con el Plan de ordenamiento territorial del 2012 POT, la zona urbana de Yopal se extenderá de acuerdo con los perímetros delineados anteriormente, donde los sectores 1 y 2 se tendrán en cuenta para modelación en EPANET para el año 2045. Contemplando una urbanización total de estas áreas para dicho año. 11. PROYECCIÓN DE POBLACIÓN A 2045 Para determinar el número de habitantes de Yopal, se recurrió a los datos históricos proporcionados por el portal web del DANE, en donde se encuentran los censos nacionales de los años 1993, 2005 y 2018. Los cuales detallan la población rural, y urbana de la ciudad de Yopal, y son la base para realizar la proyección de población que se detalla a continuación. Tabla 8. Población de los censos realizados en Yopal Año Censo 1993 44761 2005 103754 2018 156942 Fuente. (DANE, 1993,2005,2018) Contando con los datos de población mencionados en la tabla 8 se realizó la proyección de esta por 3 métodos; Método aritmético, método gráfico y método geométrico, respectivamente. Donde se seleccionará de acuerdo con consideraciones específicas de la ciudad, el método más confiable para trabajar en el presente proyecto. 11.1. Método aritmético. Ecuación 5 𝑃𝐹 = ( (𝑇𝑓 − 𝑇𝑢𝑐) (𝑇𝑢𝑐 − 𝑇𝑐𝑖) ) ∗ (𝑃𝑢𝑐 − 𝑃𝑐𝑖) + 𝑃𝑢𝑐 Pf = Población correspondiente al año para el que se quiere realizar la proyección (habitantes). Puc= Población correspondiente a la proyección del DANE (habitantes). Pci= Población correspondiente al censo inicial con información (habitantes). Tuc= Año correspondiente al último año censado por el DANE. Tci= Año correspondiente al censo inicial con información. Tf = Año al cual se quiere proyectar la información. (RAS, 2000) El método aritmético se aplicó en dos partes, inicialmente se realizó la proyección usando los censos del año 1993 y 2005 y proyectando la población hasta el año 2020 y posteriormente cada 5 años obteniendo los siguientes resultados. Tabla 9. Proyección método aritmético censos 1993 y 2005 1993-2005 Año Censo 1993 44761 2005 103754 2020 177496 2025 202077 2030 226658 2035 251239 2040 275820 2045 300401 Fuente. Autores Para la segunda parte se realizó el mismo procedimiento con la diferencia de que se usaron los censos de los años 2005 y 2018, y se obtuvo: Tabla 10. Proyección método aritmético censos 2005 y 2018 2005-2018 Año Censo 2005 103754 2020 156942 2025 185583 2030 206041 2035 226499 2040 246957 2045 267415 Fuente. Autores Finalmente se realizó el cálculo del promedio de las dos proyecciones anteriores obteniendo: Tabla 11. Proyección método aritmético Año Promedio 2020 171311 2025 193830 2030 216350 2035 238869 2040 261389 2045 283908 Fuente. Autores Para visualizar los resultados de manera clara, se realizó una gráfica teniendo en el eje de las abscisas la población y en las coordenadas el tiempo transcurrido en años, y se representaron los tres resultados obtenidos. Figura 11. Grafica de proyección método aritmético Fuente. Autores Los valores varían de acuerdo con los años utilizados en la proyección, donde la población entre 1993 y 2005 sugiere un crecimiento mayor que la de 2005 y 2018, por lo cual se concluye que la población aumentó más hasta 2005 y presento un decrecimiento no muy significativo hasta el 2018. 11.2. Método gráfico En este método se aplicará utilizando los datos de tres ciudades de Colombia: Se utilizaron ciudades de referencia con ciertas similitudes a la ciudad de Yopal, como la altura sobre el nivel del mar y la población, como se estipula en la normativa RAS 2000. A continuación, se muestran los censos del 1993, 2005 y 2018. Tabla 12. Censos ciudades método gráfico Municipio/ Año 1 2 3 1993 2005 2018 Villavicencio 253780 384131 451212 Pie de cuesta 72631 116914 157425 Arauca 39796 68222 75735 Fuente. Autores Posteriormente realizando proyecciones que se ajustaron a cada ciudad se obtuvo la siguiente gráfica: Figura 12. Gráfico de proyección de población por el método grafico Fuente: Autores Cada ciudad cuenta con una tendencia, coeficientede relación R y una población diferente, siendo Villavicencio la ciudad más habitada, y teniendo un crecimiento logarítmico con un coeficiente de relación de 0.9589, y contando con una población mayor a 600.000 habitantes. Lo cual al menos duplica la población proyectada de Yopal. Por otro lado, las ciudades de Pie de cuesta y Arauca son más pequeñas y cuentan con coeficientes de 1 y 0.884 respectivamente, y su población no alcanza a superar la de Yopal. Finalmente se obtuvo los datos tabulados como se muestra a continuación: Tabla 13. Proyección de población para Yopal por el método grafico Año / Municipio Villavicencio Pie de cuesta Arauca Promedio 1993 253780 72631 39796 122069 39796 68222 75735 253780 384131 451212 72631 116914 157425 y = 1425.6x - 3E+06 R² = 0.8842 y = 2E+07ln(x) - 1E+08 R² = 0.9589 y = -22.961x2 + 95487x - 1E+08 R² = 1 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 P o b la ci ó n Año Método gráfico Arauca Villavicencio Pie de cuesta Lineal (Arauca ) Logarítmica (Villavicencio) Polinómica (Pie de cuesta) 2005 384131 116914 68222 189756 2018 451212 157425 75735 228124 2030 566742 185438 95975 282718 2045 674823 213451 116215 334830 Fuente. Autores Finalmente, con el promedio de las proyecciones de las 3 ciudades seleccionadas se encuentra una población proyectada de 334.830 habitantes a el 2045, sin embargo, debido a que existe una diferencia de más de cien mil habitantes con respecto a la proyección del DANE para el 2035, no se tomara en cuenta para este proyecto. 11.3. Método geométrico Para este método se procede a calcular la tasa de crecimiento anual. Ecuación 6 𝑃𝐹 = 𝑃𝑢𝑐 (1 + 𝑟)^(Tf − Tuc) La tasa de crecimiento: 𝑅 = 0.0506 Obteniendo así: Tabla 14. Proyección de población por el método geométrico Año Población Rata 1993 44761 0,0507 2018 156942 0,0507 2020 169932 0,0507 2025 217556 0,0507 2030 278527 0,0507 2035 356586 0,0507 2040 456522 0,0507 2045 584466 0,0507 Fuente. Autores Finalmente, con el promedio de las proyecciones de las 3 ciudades seleccionadas se encuentra una población proyectada de 584466 habitantes a el 2045, sin embargo, debido a que existe una diferencia de más de doscientos mil habitantes con respecto a la proyección del DANE para el 2035, no se tomara en cuenta para este proyecto. Promedio Finalmente se realiza un promedio de los 3 métodos utilizados anteriormente obteniendo: Tabla 15. Población promedio de los métodos utilizados Población Promedio Año Censo 2020 170621 2025 205693 2030 247438 2035 297727 2040 342519 2045 401068 Fuente. Autores Figura 13. Gráfico de proyecciones por todos los métodos utilizados. Fuente: Elaboración propia. 0 100,000 200,000 300,000 400,000 500,000 600,000 700,000 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 P o b la ci ó n Año Proyección por todos los métodos Aritmético Método grágico Método Geométrico Se obtuvieron 3 proyecciones de población de acuerdo con los métodos aritmético, geométrico y gráfico, con el fin de definir la población de diseño se compararon dichas proyecciones con la proyección de la entidad DANE de la tabla 16. A el año 2035, y se encontró que el más cercano es el método aritmético, con una proyección de 238869 habitantes mostrada en la tabla 11., superando por 42560 habitantes la proyección del DANE. Por esta razón se decidió trabajar con la proyección aritmética, que se observa en la figura 13. A continuación, se muestra la tabla de proyecciones realizadas por el DANE para la ciudad de Yopal hasta el año 2035. Tabla 16. Proyección de población DANE a el año 2045 Departamento Municipio año Población Casanare Yopal 2024 182942 Casanare Yopal 2025 184322 Casanare Yopal 2026 185642 Casanare Yopal 2027 186959 Casanare Yopal 2028 188241 Casanare Yopal 2029 189501 Casanare Yopal 2030 190776 Casanare Yopal 2031 171998 Casanare Yopal 2032 193158 Casanare Yopal 2033 194274 Casanare Yopal 2034 195315 Casanare Yopal 2035 196309 Fuente. (DANE, 2020) La proyección estipulada por el DANE en la tabla 16. cuenta con estudios profundos específicos para cada ciudad, por lo cual se puede considerar una fuente confiable para el diseño de sistemas de abastecimiento en ciudades. Por esta razón se optó por utilizar el método aritmético en este proyecto ya que es el que más se asemeja a la proyección dada por esta institución. 11.4. Población flotante del municipio Para determinar la población flotante es necesario conocer cuántos festivos existen actualmente tanto a nivel nacional como municipal, para el año 2019 encontramos que en Colombia habrá 18 días festivos oficiales que serán mostrados en la tabla 17 y 18. Tabla 17. Días festivos a nivel nacional Fecha Motivo del festivo 01 de enero Año nuevo 06 de enero Día de los reyes magos 23 de marzo Día de San José 09 de abril Jueves santo 10 de abril Viernes santo 01 de mayo Día del trabajo 25 de mayo Día de la ascensión 15 de junio Corpus-Cristo 22 de junio Día del sagrado corazón 29 de junio San Pedro y San Pablo 20 de julio Día de la independencia 07 de agosto Batalla de Boyacá 17 de agosto Día de la Asunción 12 de octubre Día de la raza 02 de noviembre Día de los santos 16 de noviembre Independencia de Cartagena 08 de diciembre Inmaculada concepción 25 de diciembre Navidad Fuente. (El empleo, 2021) Para Yopal encontramos 13 días festivos organizados en la siguiente tabla: Tabla 18. Días festivos en Yopal Casanare Fecha Motivo festivo Marzo-abril Festival Cimarroncito de Oro Mayo Festival el Llanero Faculto Agosto Joropearon Septiembre Festival Pedagógico y Cultural Diciembre Copa América de Coleo Diciembre Feria Equina Diciembre Ferias y Fiestas Patronales de Yopal Diciembre Póngase las Cotizas Diciembre Joropera Internacional Diciembre Festival Internacional de Cimarrón de Oro Diciembre Tarima de la Llaneridad Diciembre Festival la Cola de Oro Diciembre Encuentro Cultural el Casanareño Auténtico Fuente: (GOV.CO, 2021) Ahora como sabemos que en este municipio hay 31 festivos (18 nacionales + 13 municipales) Podemos determinar la población flotante mediante la ecuación 7. Ecuación 7 𝑃𝑜𝑏𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑓𝑙𝑜𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = 31 𝑑í𝑎𝑠 𝑓𝑒𝑠𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠 365días ∗ 100 = 8.49 % 12. EVALUACIÓN DE OFERTA Y DEMANDA DEL SISTEMA DE ABASTECIMIENTO 12.1. Dotación bruta método de habitantes Para realizar el cálculo de caudales de diseño, previamente se debe realizar la proyección de los datos estadísticos existentes hasta la fecha de consumo y número de suscriptores, reportados por la superintendencia de servicios públicos (SUI), como se muestran a continuación: Tabla 19. Consumo residencial casco urbano de Yopal. Anual, Yopal, Urbano y residencial TIEMPO Anual AÑO Consumo total m3 Número de suscriptores 2005 3791768 16686 2006 3871416 17893 2007 4302206 19225 2008 4621476 20501 2009 2952668 12929 2017 5524173 33272 2018 5534100 34746 2019 5891547 36156 2020 6062218 37185 Fuente. (SUI, 2021) Donde se puede apreciar el consumo medido por los micromedidores de la red de acueducto, sin embargo, estos datos no tienen en cuenta el agua no contabilizada, por lo cual se debe corregir el valor de consumo del año 2020 para obtener un valor real del agua necesaria para abastecer a la ciudad de Yopal. El valor de corrección para el consumo se obtuvo de acuerdo con los datos provistos por la empresa de Acueducto y alcantarillado de Yopal (EAAAY), donde se obtuvo mediante media aritmética el valor de corrección para el consumo del año 2020, que se muestra a continuación: % Pérdidas porcentuales = 47.8% Ecuación 8 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 6062218 𝑚3 1 − 0.478 = 11620865.2 𝑚3
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