Locos por la Modelación Hidráulica

Lanzamiento Nueva Versión V8i SS3 para WaterCAD, WaterGEMS y HAMMER

Juan Gutierrez — Fri, 12 Aug 2011 16:38:00 GMT

Estimados Participantes del Blog:

Bentley Systems se complace en anunciar a nuestra comunidad, el lanzamiento de la nueva versión V8i SELECTSeries 3 (08.11.03.16) para los productos WaterCAD, WaterGEMS y HAMMER. Este nuevo lanzamiento complementa las herramientas de última tecnología lanzadas hace menos de un año en la versión SELECTSeries 2 que siguen marcando el liderazgo de Bentley Systems en el mercado de la modelación y análisis hidráulico de redes a presión con integración CAD y GIS.

En consecuencia, las últimas actualizaciones conllevan diferentes innovaciones brindando a los modeladores y usuarios mejoras sustanciales a la ya reconocida funcionalidad y robustez de cálculo en el análisis, gestión y diseño hidráulico de nuestros productos.

Las adiciones incluidas en las más recientes versiones incluyen nuevas herramientas en temas como: Análisis de Rastreo de Fuentes, Planeación y Gestión de Activos, Optimizaciones Operativas, Identificación de Zonas de Presión, Exportación de Modelos, Menores tiempos de cálculo, Opciones para Consulta de Resultados, entre otras.

De esta manera usuarios nuevos o existentes se beneficiarán de las adiciones que hacen de la versión V8i SELECTSeries 3 mucho más eficiente, poderosa y versátil. Dentro de las características más importantes introducidas en estas últimas actualizaciones tenemos:

Novedades en última Versión V8i SELECTSeries 3

Aplicativo de Software a 64 Bits con Soporte a AutoCAD v.2011/2012 (x64 bits)
Posibilidad de hacer análisis de calidad simultáneos para hacer estudios con múltiples fuentes de diferente calidad de agua
Simplificación (Esqueletización) fusionando tuberías en serie sin perder información de válvulas de seccionamiento/aislamiento
Mejoras a Darwin Scheduler usando el nuevo elemento estación de bombeo (agrupación de varias bombas/configuraciones)
Cálculo de Emisiones de Carbon en el Administrador de Costos de Energía
Rápida identificación de la Zona de Presión donde se encuentra un nodo.
Persistencia en la configuración de gráficos con posibilidad de creación de plantillas
Mejoras en la presentación de resultados en HAMMER y nuevas opciones de configuración de Tanques Hidroneumáticos.
Muchas más…

Novedades anteriormente Introducidas en Versión V8i SELECTSeries 2

Soporte Certificado para Sistemas Operativo Windows 7 (32/64 bits)
Herramienta de Gestión y Planificación para Renovación de Redes (Pipe Renewal Planner).
Análisis para proyección de rotura de tuberías (Pipe Break Analysis)
Herramienta para creación de i-models. Permite la visualización de resultados del modelo sin requerir el uso de licencias a través de plataformas como Bentley View (gratuito) o MicroStation.
Exportación avanzada de los elementos del modelo como archivo DXF
Tanque con llenado/alimentación superior (Top Fill Tanks) a través de válvula de control (Float Valve)
Configuración y Combinación de Bombas incluyendo análisis gráfico y esquemas operativos.
Nuevas posibilidades de visualización Fecha/Hora en reportes y manejo de distintos formatos
Capacidad de escoger la versión del motor numérico (algoritmo de cálculo)
Posibilidad de crear campos/atributos personalizados (user defined fields) basado en formulas numéricas
Herramientas amigables para el uso y configuración de la herramienta SCADAConnect
Mayor rendimiento para el procesamiento de grandes modelos (> 50,000 Tramos)

Como ha sido nuestra distinción, la versión V8i SS3 continua su verdadero compromiso con la Interoperabilidad GIS & CAD, siendo el único software de modelación hidráulica capaz de ofrecer en un solo producto certificación con las plataformas de ingeniería más populares del mercado y en sus más recientes versiones:

- Plataforma Autónoma Windows Stand Alone

- MicroStation V8i SELECTSeries 2 (08.11.07.443),

- AutoCAD® v.2012 y 2012 (32/64 Bits)

- ArcGIS® 10 y 9.3.1 SP1 (Solo WaterGEMS y HAMMER)

Nota: Algunas versiones previas de ArcGIS® y AutoCAD® son también soportadas.

Los suscriptores a nuestro programa de beneficios y mantenimiento SELECT podrán desde ahora mismo y sin costo actualizar a la nueva versión sus licencias WaterCAD, WaterGEMS y/o HAMMER.

Cualquier inquietud no dude en contactarme. Atentamente,

Juan Carlos Gutiérrez Araújo, IC. MSc.

Regional Sales Engineer – Coordinador del Blog

Bentley Systems - Latin America

Email: Juan.Gutierrez@bentley.com

Es el Agua el Nuevo Petróleo? – Una Visión Global desde la Problemática de la Gestión de los Sistemas de Distribución

Juan Gutierrez — Mon, 23 May 2011 17:55:00 GMT

*Análisis y Recopilación - Juan Carlos Gutiérrez Aráujo / Colombia

Desde hace algunos años Bentley Systems, Inc. viene realizando un esfuerzo importante en promover la discusión técnica sobre la reducción de fugas en los sistemas de distribución a nivel mundial y especialmente en los paises en vías de desarrollo. Gran cantidad de información sobre buenas prácticas, tendencias y nuevas tecnologías puede encontrarse en: http://www.bentley.com/en-US/Solutions/Water+and+Wastewater/Water+Loss.htm

El progresivo deterioro en las últimas décadas de la calidad del agua, especialmente en fuentes superficiales y acuíferos así como el fenómeno del calentamiento global han traído consigo que diferentes investigadores, políticos, ambientalistas y científicos estén alertando en que el agua se convertirá en el nuevo petróleo de este siglo, tanto es así que si en cualquier búsqueda de Internet se utiliza la frase “Is Water the new oil? / Es el agua el nuevo petróleo?” aparecen cientos de miles de diversas referencias.

Existe como en todos los temas versiones apasionadas algunas quizás con proyecciones muy radicales o extremistas. De tal manera, he querido en este Post promover la discusión sobre si el agua será considerada como el Petróleo de las próximas décadas y analizar la problemática desde el punto de vista de los Operadores y Gestores de Sistemas de Distribución. Esto sin negar la visión ecologista que define al agua como el más importante recurso para la sustentabilidad de todas las formas de vida en nuestro planeta.

Problemática Mundial.

El manejo del agua es quizás una de las actividades en las cuales el hombre desde las civilizaciones más antiguas ha tratado de usar todo su ingenio y capacidades para su explotación, a pesar que no siempre se ha impuesto la racionalidad sobre su uso.

Hasta la primera parte del siglo XX, la dinámica y crecimiento tanto de las sociedades como del desarrollo industrial y tecnológico, no fue quizás tan acelerado así que las políticas y manejos del agua no encontraron especiales dificultades en adaptarse a los requerimientos de la población mundial. Sin embargo, la explosión demográfica y el vertiginoso desarrollo industrial y agrícola del último medio siglo están generando una presión sin precedentes sobre las fuentes y recursos finitos de agua fresca, lo cual no ha sido acompañado en lo que al manejo del agua concierne, de las políticas y acciones necesarias para un uso coherente y preservación de dichas fuentes.

A nivel global los niveles de agua en el planeta permanecen relativamente constantes (aunque resta ver el efecto extendido que tendrá el calentamiento global en próximas décadas); sin embargo son fácilmente detectables los problemas de acceso a fuentes de agua potable que tienen numerosas comunidades y poblaciones en todo el planeta.

Así las cosas, es acaso irreal pensar que en próximas décadas nuestro planeta estará enfrentándose con una crisis de agua de proporciones épicas?

Según la ONU, actualmente cerca de 1,300 millones de personas (una quinta parte de la población del Planeta) no cuentan con un adecuado acceso a agua apta para consumo y cerca del 40% de la población no tienen acceso a redes de saneamiento básico. Ahora, sin querer entrar en el terreno de las visiones apocalípticas y por el contrario asumiendo una actitud proactiva, la pregunta que debemos hacernos es que podemos hacer para remediar esta situación?

En primer lugar, siendo los problemas de calidad graves (como se ha dicho han crecido con la actividad humana), atendiendo al debate actual sobre si el agua es el nuevo petróleo, a la mayoría sólo parecen preocuparle los problemas de cantidad, cuando lo razonable sería situarlos a un mismo nivel dado que ambos conceptos están estrechamente relacionados.

Con respecto a los usos y explotación de las fuentes, el consumo humano directo es todavía pequeño si se le compara con otros usos. Sólo un 10% - 12% del agua potable del globo acaba en el vaso, en la ducha o en actividades de limpieza de las personas. Un volumen dos veces mayor que ese es utilizado por la industria, mientras se estima que cerca un 70% (porcentaje aún mayor en países desarrollados) se emplea en el sector agrícola. El informe de la ONU sobre el abastecimiento global de agua (Water: A Crisis of Governance[1]), prevé que ese número crezca en el momento en que el mercado responda a un aumento previsto del 55% en la demanda de alimentos para 2030. El aumento de la riqueza en economías emergentes, por su parte, significa que dichas poblaciones aumentaran el consumo de alimentos especialmente carne, cuya producción requiere un volumen mucho mayor de agua que la producción de verduras. Los aumentos del precio del agua impulsados por la escasez van a exigir cambios profundos de costumbres por parte de agricultores y consumidores.

En lo que tiene que ver con la operación de los sistemas de acueducto y a pesar de la fundamental importancia del agua para la sociedad; una enorme cantidad de agua potable se pierde a través de los sistemas de distribución. En el mundo de hoy, no podrías imaginarnos unas pérdidas anuales de 32,000 millones de metros cúbicos de petróleo. Pues bien, de acuerdo con el Banco Mundial este es el volumen de agua que se pierde anualmente en los sistemas de distribución debido a fugas y daños en los sistemas de acueducto. Adicionalmente, se estima que 16,000 millones de metros cúbicos corresponden a Agua no contabilizada debido a una pobre medición del consumo, corrupción y fraudes en los sistemas. En Colombia donde según estudios de la Comisión de Regulación de Agua Potable y Saneamiento Básico; la situación no es menos desalentadora dado que se estima que la mayoría de los sistemas presentan índices de Agua No Contabilizada (IANC) superiores al 35% y en algunos no pocos casos superan el 55%.

Como las fugas afectan la gestión económica de los Sistemas de Distribución.

Las pérdidas de agua en las redes de acueducto tienen un claro impacto económico. A nivel global se estima que estas pérdidas ascienden a cerca de U$ 14,000 millones de dólares en ingresos potenciales en caso de ser facturados los volúmenes perdidos. Una sorprendente pérdida financiera en la actual crisis monetaria mundial!

En los países en vías de desarrollo, los porcentajes de pérdidas de agua potable son cercanos al 60% del volumen total de agua tratada que ingresa al sistema de distribución. En un marco global se estima que el porcentaje de pérdidas de agua tratada está entre el 25% - 35%. Si bien los mayores usos del agua son agrícolas, el recuperar al menos la mitad del agua que globalmente se pierde por fugas permitiría servir las necesidades de agua de aproximadamente 90 millones de personas sin siquiera requerir inversiones en nuevos sistemas de distribución o explotaciones adicionales de las cada vez más escazas fuentes de agua.

Lo anterior podría parecer obvio, sin embargo nuestras sociedades quizás por temas culturales o inercias históricas han heredado una cultura basada en incrementar a cualquier precio la explotación de fuentes de agua y ampliación de instalaciones de tratamiento efectuando un control muy limitado de los usos y del desempeño de las infraestructuras, control que en ocasiones resulta ser prácticamente inexistente.

Es claro que identificar y corregir la gran proporción de fugas de los sistemas de acueducto debería ser considerada como la primera acción para reducir y mitigar el impacto de las perdidas en los sistemas. La anterior afirmación, no quiere desconocer la complejidad y dificultad en las tareas de detección y corrección de fugas dado que inclusive los métodos de detección de fugas que no requieren de excavación y que están basados en métodos acústicos y pruebas de campo son extremadamente costosos, consumen gran cantidad de tiempo y recurso humano y no son 100% efectivos.

Claramente, cumplir con las metas de reducción de pérdidas en sistemas de distribución en el marco de aportar a la problemática o crisis mundial del Agua con presupuestos limitados como los que se manejan en los países en vías de desarrollo requieren de innovación tecnológica. En este sentido, técnicas ***íticas basadas en Inteligencia Artificial (IA) y con el usos de programas computacionales para modelación hidráulica han demostrado que la metodologías ***íticas para la detección de fugas pueden ser exitosas para facilitar las tareas de identificación y reparación de fugas y con ello mejorar los porcentajes de pérdidas en los sistemas.

Conclusión Final

La sociedad de hoy enfrenta un escenario bien distinto al de hace sólo dos generaciones en lo que tiene que ver con la disponibilidad de Agua apta para consumo. Ante una problemática de complejidad creciente, es necesario que todas las autoridades reconozcan la urgente necesidad no solo que tiene el ahorro y uso eficiente del agua, sino también la reducción de pérdidas.

La reparación y reducción de fugas en sistemas de distribución puede no parecer tan inspirador como un valle de turbina de viento o como los diseños de edificaciones verdes y autosustentables; sin embargo en un mundo donde el recurso Agua comienza a convertirse en un bien precioso y escaso, la reducción de fugas, la reducción de los niveles de presión y la gestión sobre los medidores tienen una clara justificación ante la problemática mundial del agua.

En esta dirección, el análisis pragmático (alejado del discurso demagógico) y el uso de herramientas tecnológicas por parte de especialistas en el campo de la hidráulica y gestión de sistemas de distribución, permitirá desbloquear la situación actual y avanzar, por un camino largo y complejo, hacia la gestión sostenible del agua que exigen las futuras generaciones. Esta es una contribución que los profesionales relacionados con la gestión y operación de sistemas de acueducto y alcantarillados debemos y podemos hacer.

Sobre este apasionante tema, agradezco los valiosos comentarios de los asistentes frecuentes a este su Blog: Locos por la Modelación Hidráulica

Juan Carlos Gutiérrez Araújo.

[1] Water: A Crisis of Governance – Web Link: http://www.unep.org/Documents.Multilingual/Default.asp?DocumentID=471&ArticleID=5215&l=en

HISTORIA DE LOS METODOS DE ANALISIS y MODELOS COMPUTACIONALES PARA ANÁLISIS DE REDES DE DISTRIBUCIÓN A PRESIÓN

Juan Gutierrez — Thu, 19 May 2011 21:36:00 GMT

*Resumen y Recopilación Bibliográfica - Juan Carlos Gutiérrez Araújo.

En los últimos 70 años, diferentes métodos numéricos han sido usados (y siguen empleándose) para estimar los caudales y presiones en redes de distribución de agua. Estos métodos van desde aproximaciones gráficas basadas en analogías físicas, métodos numéricos iterativos simples hasta complejas organizaciones matriciales para la resolución numérica de sistemas de ecuaciones no lineales.

El presente Post en el Blog Locos por la Modelación Hidráulica representa una revisión bibliográfica a la evolución y avance histórico de los métodos numéricos para el análisis de sistemas de distribución de agua a presión. Una de las mejores recopilaciones se presenta en el artículo “The History of Water Distribution Network Analysis: The Computer Age” escrito por Lindell E. Ormsbee quien se desempeñó como Director de Instituto de Investigaciones de Recursos Hidráulicos de la Universidad de Kentucky. Este trabajo retoma y complementa dicho artículo recopilando diversas publicaciones técnicas la mayoría en Ingles.

Sobre la historia de la evolución de los métodos de análisis, la mayoría de los textos que abordan el tema presentan información fragmentada de algunos avances de importante trascendencia. En consecuencia esta recopilación permite una visión completa de aquellos aportes teóricos y método de análisis, que posibilitó el desarrollo en las últimas dos décadas de sofisticados paquetes computacionales (por ejemplo: Bentley WaterCAD y WaterGEMS) para el análisis, diseño y gestión de sistemas de distribución.

Es importante destacar que todos los métodos numéricos de análisis de régimen permanente en redes de distribución se basan en dos principios tan básicos como antiguos que se cumplen independientemente de la configuración y elementos que componen el sistema, estos son: i) Ecuación de Conservación de Masa en Nodos y ii) Ecuación de Conservación de Energía aplicadas a un flujo incompresible a través de un sistema a Presión.

Las variables del modelo (algunas conocidas) son entonces: a) los Caudales q internos que circulan por las líneas, b) los Caudales Q_D externos demandados por los nodos, c) la altura piezométrica H y Presión P en los nodos del sistema, y d) las pérdidas de carga h en cada línea.

Si bien los principios básicos conocidos también como Leyes de Kirchoff, son compartidos por todos los métodos y las formulaciones constituyen un sistema de ecuaciones resultantes de naturaleza no lineal que no tiene una resolución directa y requiere de procesos iterativos; las diferentes aproximaciones numéricas para la determinación de incógnitas (comprobación de diseño) en redes de distribución se pueden agrupar en dos grandes familias[1]:

- Metodologías basadas en técnicas iterativas de Gauss-Seidel y Jacobi (resolución del problema efectuando en cada iteración una resolución secuencial de cada una de las ecuaciones). Ejemplo: Métodos de Cross y sus derivados.

- Metodologías de Equilibrio Simultáneo de las Variables (resolución basada en técnicas de linealización de las ecuaciones). Ejemplo: Métodos del Nodo y Circuito Simultáneos.

En resumen, los métodos de análisis de redes de distribución más significativos que abarcan un periodo de desarrollo de cerca de 6 décadas son los siguientes:

§ Método(s) de Hardy Cross

§ Método del Nodo Simultáneo (Conocido también como el método clásico de Newton Raphson)

§ Método del Circuito Simultáneo

§ Método de la Teoría Lineal

§ Método del Gradiente Hidráulico (Conocido también como Método de la Red Simultánea)

Es importante anotar que los métodos del circuito y nodo simultáneo, teoría lineal y gradiente hidráulico emplean formulaciones matriciales aprovechando el gran poder de procesamiento numérico del los computadores modernos.

Antes de realizar una descripción de los aportes históricos más significativos, podemos establecer una breve síntesis histórica clasificando en 5 diferentes periodos los avances que nos han conllevado al estado actual de la tecnología. El resumen (sujeto a diversas discusiones) sería el siguiente:

Tabla I: Síntesis Histórica de Formulaciones y Métodos de Análisis de Redes Malladas

Periodo	Año	Investigador/Autor(es)	Investigaciones/Formulaciones/Métodos de Análisis
Periodo I	1839	G. Hagen y J.L. Poiseulle	Ecuación de Pérdidas de Carga para tuberías en régimen laminar.
	1845	Darcy y Weisbach	Fórmula ***ítica para las pérdidas de carga por fricción en un flujo a través de una tubería simple
	1883	O. Reynolds	Definición de Número Adimensional para distinción entre flujos en régimen Laminar y Turbulento
	1906	Hazen y Williams	Fórmula empírica para la pérdida de carga por fricción en el flujo a través de una tubería simple
	1938	C. Colebrook y C. White	Formulación basada en trabajos de Prandtl y sus discípulos (Von Karman, Nikuradse y Blasius) para la determinación del factor de fricción en la fórmula de Darcy.
Periodo II	1936	Hardy Cross	Método de Cross con Corrección de Caudales. Técnica de Relajación elaborada por H. Cross profesor de ingeniería estructural de la Univ. de Illinois. Método originalmente desarrollado para cálculo de estructuras aporticadas de concreto extendido a Redes Malladas a Presión basado en un principio de balanceo de caudal.
	1938	R.J. Cornish	Modificación al Método Cross denominado originalmente Balance de Cantidad que posteriormente se conoció como M. Hardy Cross con corrección de altura.
	1950	Mcllroy	Método de Análisis de Fluido en Redes análogo al Método Computacional Eléctrico
Periodo III	>1950	N/A	Desarrollos y Pruebas con subrutinas numéricas de los primeros computadores digitales.
	1957	Hoag and Weinberg	Adaptación de los métodos de Hardy Cross para computadores digitales
	1955 – 1965	Rader & Associates y Brown & Caldwell	Comercialización de Servicios de Ingeniería para calculo de redes basado en modelos computacionales
	>1960	Datics Corporation, TX	Pioneros en la Venta de Software de Cálculo comercial.
Periodo IV	1962 - 1963	Martin y Peters	Método del Nodo Simultáneo. Aplicación del Método Iterativo de Newton Raphson a redes de distribución por parte de D.W. Martin y G. Peters.
	1968	Shamir y Howard	Expansión del Método del Nodo Simultáneo.
	1970	A. Fowler y R. Epp	Método del Circuito Simultáneo.
	1970 - 1972	Wood y Charles	Método de la Teoría Lineal. Metodología desarrollada por D.J. Wood y C.O.A. Charles que permite resolver simultáneamente las ecuaciones de conservación de masa en nodos y conservación de energía en circuitos.
	1977	R. Jeppson	Programa comercial para el análisis de redes con base en el método del circuito simultáneo
	1987	Todini y Pilati	Método del Gradiente Hidráulico. Finalmente formulado por E. Todini y Pilati. Método de manejo matricial de las ecuaciones de energía y conservación de masa de rápida convergencia.
Periodo	Año	Investigador/Autor(es)	Investigaciones/Formulaciones/Métodos de Análisis
Periodo V	1980 - 1985	IBM y Otros Fabricantes	Introducción de los primeros Computadores Personales (IBM PC o Compatibles) y nacimiento de la industria del Software Comercial para Análisis de Redes.
	1981-1985	Boeing Computer Services – Univ. Kentucky Civil	Lanzamiento de primeros programas comerciales de Análisis de Redes Distribución para PC como el WATSIM (Boeing Computer Serv.) y KYPIPE (Universidad de Kentucky).
	1982 - 1985	D. Wood y U.S. EPA	Desarrollos de los primeros modelos de calidad en estado estático.
	1985	ASCE – División Gestión de Recursos Hidráulicos	La sociedad de Ingenieros de EE.UU. en su conferencia anual realizó una serie de sesiones para evaluación de metodologías numéricas que posteriormente se llamaron “La Batalla de los Modelos”
	1986	AWWA – U-S. EPA – Diversas Universidades	En el Simposio de Sistemas de Distribución organizado por AWWA se da una Introducción formal a los Modelos Dinámicos de Calidad de Agua.
	1987	J. Gessler, J. Sjostrom y T. Walski – Patrocinio USACE	Lanzamiento del software WADISO, programa de dominio público con simulaciones en periodo estático y extendido. Uno de los pioneros en incluir un módulo de optimización de diseño
	1988 -1990	W. Graynman, R. Clark y D. Males	Desarrollo del modelo de calidad DWQM. Modelo Dinámico de calidad basado en un Método de Elementos de Volumen Discretos que se integraba y partía de los resultados generados por un modelo hidráulico.
	1990 - 1993	Firmas varias de desarrollo de Software Comercial	Lanzamiento de paquetes de software con entrada amigable de datos y entornos gráficos como CyberNet, RINCAD, STONER, AQUANET, Piccolo, etc. Se destaca la integración de algunos paquetes con entornos CAD como el CyberNet de Haestad Methods.
	1993	Lewis Rossman – U.S. EPA	EPANET 1.0, Lanzamiento al Público del Programa para el Análisis de Redes por parte de la EPA y bajo el liderazgo de L. Rossman retomando los modelos WADISO y DQM, y llevando al usuario a una interfaz gráfica en Windows. La versión 2.0 a finales de los 90’s incluyó importantes modificaciones al programa original.
	1998 - 2002	Centro Suizo de Desarrollo Cooperativo en Tecnologías (SKAT)	Publicación/Recopilación Técnica de los 10 programas de software más usado a nivel mundial para el análisis y diseño de sistemas de Distribución. Predecesores de los programas actualmente más populares del mercado: WaterCAD/GEMS, H2ONet/H2OMap, MikeNet, Pipe 2010, etc.
	2002 - Actualidad	Firmas varias de desarrollo de Software Comercial	Adopción del método del gradiente como algoritmo estándar de la mayoría de software, entorno gráfico en Windows, y técnicas de inteligencia artificial para Calibración Hidráulica y Diseño Optimizado.

Como se puede observar, el desarrollo de los modelos computacionales modernos ha estado precedido de 5 periodos históricos calificados como: 1) Desarrollo Fundamentos Teóricos, 2) Era Pre-Informática, 3) Inicio de la Era Computacional Moderna, 4) Surgimiento de Métodos de Análisis Avanzado y 5) Desarrollo Industria del Software Comercial.

A continuación y para información de todos los visitantes de mi Blog, les presento un resumen cronológico de los eventos y aportes más importantes:

Periodo I: Desarrollo Fundamentos Teóricos

Claramente en el siglo XVII se dieron los primeros desarrollos teóricos y experimentales sobre mecánica de fluidos. De este siglo podemos destacar los aportes de Bernoulli (1738) quien basado en los fundamentos físicos de Newton aporto los principios básicos de conservación de energía que sirvieron de base para dispositivos como el tubo venturi. En 1752 basado en las formulaciones teóricas de Bernoulli, Leonard Euler planteo las ecuaciones de energía en la forma que hoy conocemos y que sirven de base aún en los modelos hidráulicos actuales. En el mismo siglo, Antoine Chezy (1770) encontró que en las pérdidas del agua en movimiento la relación V²/R.S permanecía razonablemente constante en ciertas condiciones. Relación que sirvió de base en las ecuaciones de pérdidas por fricción desarrolladas posteriormente.

En 1839 los investigadores G. Hagen y J.L. Poiseulle desarrollaron de manera independiente la ecuación de pérdida de carga en pequeñas tuberías bajo regímenes de flujo laminar. Este trabajo experimental derivó en ecuaciones teóricas (Ec. Hagen-Poiseulle) bajo el trabajo de F. Neuman y E. Hagenbach.

Para 1845 J. Weisbach publica tres volúmenes de ingeniería mecánica basados en los resultados de sus experimentos. La famosa Ecuación Darcy-Weibach surge de este trabajo como una extensión a los trabajos previos de Chezy, de hecho existe una clara relación entre el coeficiente C de Chezy con el factor de fricción de la Ecuación de Darcy-Weisbach.

En 1883 los trabajos de experimentación O. Reynolds basados en observaciones previas de Hagen, permitieron establecer una clara distinción entre los flujos laminar y turbulento. El investigador identificó un número adimensional (posteriormente conocido como No. de Reynolds) para cuantificar la condición que permitía clasificar estos tipos de regímenes de flujo.

Entre las décadas de 1900 – 1930 se presentaron también interesantes avances. Se debe destacar el desarrollo de la teoría de capa límite que estudiaba la interacción entre los fluidos y las paredes de las tuberías, estudio liderado por L. Prandtl y sus estudiantes T. Von Karman, J. Nikuradse, H. Blasius y T. Stanton. Como resultado de años de investigación, se pudo demostrar experimental y teóricamente el efecto de la pared de la tubería sobre el fluido y su perfil de velocidades. Cabe destacar especialmente los experimentos de Nikuradse con partículas de arena normalizadas y mediciones de pérdidas de carga que permitieron un mejor entendimiento para el cálculo del factor de fricción en la formula de Darcy-Weisbach.

Mientras tanto en 1906, los investigadores A. Hazen y G.S. Williams desarrollaban una formula empírica para el cálculo de pérdida de carga en tuberías. A pesar que no tenía la misma rigurosidad teórica que la ecuación de Darcy-Weisbach, la formula hallada posteriormente conocida como Ec. de Hazen-Williams permitió un fácil cálculo de las pérdidas y fue ampliamente adoptada en Norte América.

Finalmente para este periodo, debemos destacar el trabajo realizado en 1938 por los investigadores C. Colebrook y C. White quienes basándose en los trabajos de Prandtl y sus discípulos, desarrollaron la Ecuación de Colebrook-White para la determinación del factor de fricción f de la formulación Darcy-Weisbach en tuberías comerciales.

Como consecuencia de este trabajo en 1944 L. Moody de la Universidad de Princeton publica el diagrama de Moody, el cual esencialmente es una representación gráfica de la Ec. de Colebrook-White para el rango flujo turbulento y la Ec. Hagen-Poiseulle en el rango de flujo laminar.

Periodo II: Era Pre-Informática

En 1936 Hardy Cross un Ingeniero Estructural de la Universidad de Illinois, desarrolló un método matemático para resolver un análisis de distribución de momentos en estructuras aporticadas. Luego Cross entendió que el método desarrollado podría también ser usado para resolver caudales y presiones en redes malladas de distribución de agua y publicó un artículo técnico con este método pionero de futuros desarrollos.

En los trabajos de Cross formulaban en esencia dos posibles metodologías: i) Balanceo de Caudales en las tuberías del sistema mediante un proceso iterativo incluyendo un factor de ajuste de caudales en cada circuito, y ii) Resolución del Valor de Altura Piezométrica en cada nodo del sistema bajo un proceso iterativo con un factor de ajuste para las alturas piezométricas o cargas de los nodos. Para el cálculo de pérdidas por fricción se usaba la ecuación de Hazen-Williams.

Para la primera metodología, se requiere la suposición inicial de caudales en cada tubería del sistema verificando el cumplimiento de la ecuación de conservación o continuidad en cada nodo del sistema. La implementación de la segunda metodología que tuvo la participación del investigador R.J. Cornish (1938) para su implementación, y que se conoció luego como el método Cross de Corrección de alturas en nodos, simplemente se hace una estimación inicial de los valores de gradiente hidráulico en cada nodo teniendo en cuenta que se tiene un nodo con valor de carga conocida como puede ser un tanque o reservorio.

Comparando ambos métodos, se observó que “la convergencia era lenta y no totalmente satisfactoria” cuando se empleaba el método de corrección de alturas en nodos. Esto fue atribuido a la dificultad en obtener buenas estimaciones iniciales de los valores de gradiente hidráulico en los nodos. Como resultado el método de corrección de caudales por circuito tuvo la aceptación de la comunidad de ingeniería y fue rápidamente conocido con el nombre exclusivo de “Método de Hardy Cross”. A pesar que el método fue concebido originalmente como una metodología de cálculo manual, la estructura general de la metodología lo hacía claramente un candidato para su implementación computacional. Sin embargo, tendrían que pasar varias décadas para la llegada de implementaciones de Hardware y de Software para su completa implementación.

Para 1950 no encontramos con el analizador de redes de distribución desarrollado por Mcllroy. Este fue un método análogo al modelo computacional eléctrico, desarrollado para simular el comportamiento de un sistema de distribución de agua calculando los flujos como si fueran corriente eléctrica en lugar de agua. El analizador consideraba elementos especiales denominados “Fluistors” o Resistencias de Fluido para simular las pérdidas de carga en tubería, considerando que en la Ec. de Hazen-Williams la pérdida es proporcional al caudal elevado a 1.85 mientras en sistemas eléctricos las resistencias cumplen la ley de Ohm, en la cual la caída del voltaje varía linealmente. Este método no gozó de aceptación.

Periodo III: Inicio de la Era Computacional

El comienzo de este periodo, se da a principios de los 50´s con los primeros (básicos) modelos de análisis de redes para computadores. Con el advenimiento de los primeros equipos de computo (mainframes) y el establecimiento del lenguaje de programación FORTRAN, los investigadores comenzaron con la implementación de las metodologías conocidas de análisis para su uso en los primeros computadores digitales.

En 1957 los investigadores Hoag y Weinberg adaptaron el método de Hardy Cross para resolver redes malladas para computadores digitales y aplicaron dicho método para el sistema de distribución de la ciudad Palo Alto en California. En la presentación de su implementación se discutieron aspectos de velocidad, exactitud y la viabilidad económica de aplicar el método en un amplio espectro de simulaciones de redes.

Subsecuentemente, dos firmas americanas de ingeniería como Rader & Associates y Brown & Caldwell, emergieron como los pioneros en el uso del computador para analizar redes de distribución de agua para sus clientes. En el mismo año, la firma de informática Datics Corporation en Texas se convirtió en una de las primeras empresas en comercializar un programa comercial. La era del software comercial para análisis de redes había nacido.

Sin embargo, con la creciente sofisticación de los computadores a mediados de la década del 60, más universidades e investigadores comenzaron a cuestionar el uso del método Hardy Cross para analizar caudales y presiones en sistemas de distribución debido al reconocimiento de las siguientes limitaciones del método: i) Dependiendo del tamaño y complejidad del sistema, el método requería de muchas iteraciones para finalmente lograr la convergencia numérica y ii) el método original estaba restringido a sistemas perfectamente mallados y simples y no simulaba explícitamente el comportamiento de elementos singulares como válvulas, bombas, etc.

Periodo IV: Surgimiento de Métodos de Análisis Avanzados en la Era Computacional Moderna

En respuesta a las limitaciones del Método de Cross, diferentes investigadores comenzaron a analizar nuevas formulaciones y manejos matemáticos al análisis de redes los cuales pudieran aprovechar de mejor manera las posibilidades aportadas por procesadores con cada vez mayores velocidades de cálculo. Dentro de los métodos subsecuentemente desarrollados se encontraron: 1) Método del Nodo Simultáneo, 2) Método del Circuito Simultáneo, 3) Método de Teoría Lineal y 4) Método Compuesto/Gradiente Conjugado.

En 1963 D.W. Martin y G. Peters fueron los primeros investigadores en publicar un algoritmo que podía usarse para resolver simultáneamente el valor de gradiente hidráulico en cada nodo del sistema de distribución. Fundamentalmente, este método representaba una solución simultánea a la metodología original de “Cross con Corrección de Alturas Piezométricas”. En la aplicación del algoritmo, las ecuaciones de pérdida de carga para cada tubería estaban escritas en términos de los caudales en cada tubería expresados como una función de los valores de gradiente en los nodos extremos de cada tramo. La sustitución de estas ecuaciones dentro de la ecuación de conservación de masa en cada nodo traía consigo la formación de un sistema de N Ecuaciones No-Lineales (siendo N el número de nodos) escritas en términos de alturas piezométricas. Las ecuaciones resultantes son entonces linealizadas usando las series de expansión estándar de Taylor y resueltas iterativamente usando el método clásico de Newton Raphson. Posteriormente (1968) los investigadores Uri Shamir y Chuck Howard del M.I.T. demostraron que el método podía ser usado para acomodar elementos tales como bombas y válvulas y resolver algunas otras incógnitas.

En 1969 Alvin Fowler y su asistente Robert Epp de la Universidad de British Columbia (CA) desarrollaron una nueva aproximación para el análisis de redes malladas que aplicaba el método de Newton-Raphson para simultáneamente resolver los factores de ajuste de caudal asociados con el método original de Cross (1936). Esta metodología tenía además el beneficio de hacer un manejo matricial de las ecuaciones y mejorar significativamente las características de convergencia del algoritmo original.

En 1972 los profesores Don J. Wood y Charles introdujeron una nueva formulación al problema del análisis de redes malladas “El Método de Teoría Lineal” en el cual la conservación de masa en los nodos y las ecuaciones de energía en cada circuito eran resueltas simultáneamente para directamente hallar en caudal en cada una de las tuberías. Así como en el método del “Circuito Simultáneo” la determinación de los valores de carga asociados a cada nodo se requiere la aplicación de una subrutina secundaria de pérdidas de carga. Sin embargo, la virtud de la combinación de las ecuaciones de conservación de masa y de energía, hace que no se requiera hacer un balance de caudales iniciales en los nodos. Este método tenía como ventajas la facilidad de implementación en los lenguajes de programación su época y la capacidad de determinar rápidamente otros parámetros además del caudal.

En cierto sentido la denominación del método como teoría lineal no es adecuada y surgió de la manera original con la cual Wood y Charles propusieron minimizar el factor de error de convergencia asociado con la solución de las ecuaciones no-lineales de energía. Posteriores desarrollos al algoritmo por parte de sus desarrolladores en programas de Software Comerciales (ej: KYPIPE, PIPE200X, PIPE2010) han realizado modificaciones significativas a la metodología inicialmente planteada.

Posteriores investigaciones como las realizadas por Roland Jeppson de la Universidad de Utah en colaboración con CH2M Hill trajeron consigo en 1976 el desarrollo de un nuevo software comercial para el análisis de redes basado en el método del “Circuito Simultáneo”. En el uso de este algoritmo, las ecuaciones no-lineales de energía para cada circuito o ruta son escritas en términos de los factores de ajuste de caudal. Así como en los métodos de “Nodo”, las ecuaciones los linealizadas usando una expansión estándar de las Series de Taylor y luego son resueltas de manera iterativa usando el método de Newton Raphson. Una vez se obtienen los factores finales de ajuste, los caudales en cada tubería pueden ser determinados por la multiplicación de dicho factores con los caudales inicialmente supuestos. Como en el método original de Cross, se requiere que la suposición inicial de caudales cumpla la ecuación de continuidad y los gradientes en los nodos se obtienen mediante la aplicación de un método de perdidas.

Finalmente este repaso por los métodos numéricos concluye con el Método del Gradiente el cual fue propuesto en 1987 por Todini y Pilati. En esta formulación, las ecuaciones individuales de energía en cada tubería se combinan con las ecuaciones individuales de conservación en cada nodo para proveer una solución simultánea tanto de cargas en los nodos como caudales individuales en las tuberías. Similar a lo realizado en los métodos “Circuito Simultáneo” y “Teoría Lineal”, las ecuaciones no lineales de energía son linealizadas usando la expansión en series de Taylor. Sin embargo, a diferencia de métodos predecesores en este caso las ecuaciones son resueltas usando un eficiente esquema que emplea la inversión de la matriz de coeficientes originales. Un aspecto por destacar del método es el trabajo con matrices de manera dispersa, lo que permite a reducción de la memoria requerida y el tiempo de cálculo en computadores.

Este método ha sido actualmente adoptado por la mayoría de programas de software comerciales del mercado.

Periodo V: La Industria del Software Comercial para Análisis de Sistemas de Distribución.

Como se ha descrito previamente a finales de los 60´s y durante la década de los 70’s se tuvo un periodo de gran fertilidad en el desarrollo y ajuste de diversos algoritmos para la solución de redes malladas de distribución. Investigadores y Universidades a nivel mundial expusieron sus trabajos y presentando las ventajas de implementación y/o velocidad de convergencia de sus metodologías.

A principios de los 80´s muchos de estos programas de “Investigación Académica” (ej: Fowler, Jepsson, Sharmir y Howard, Wood, etc.) fueron paulatinamente convertidos en aplicaciones comerciales de software que fueron promocionados y mercadeados a través de Universidades y/o a través de empresa medianas e inclusive grandes corporaciones. Esto en paralelo con la introducción del computador personal (PC) al público en general que a partir de 1981 surgió con el éxito del IBM PC o compatible que hizo posible el llevar las metodologías de análisis a equipos de escritorio.

Dentro de las primeras aplicaciones más importantes de la industria se destaca la entrada al mercado a partir de 1982 de WATSIM desarrollado por Boeing Computer Services y de KYPIPE por parte de la Universidad de Kentucky capitalizando la investigación de una década del Cetro de Desarrollo de Software de la facultad de ingeniería de dicha universidad.

Paralelamente a principios de esta década se desarrolló el primer modelo de calidad de agua en sistemas de distribución. En esencia se trataba de un modelo en periodo estático que empleaba las formulaciones propuestas por D. Wood de la Universidad de Kentucky e investigadores de la U.S. EPA[2].

A medida que avanzaban los 80´s aparecieron las aplicaciones lanzadas por firmas norteamericanas e internacionales como Expert Development Corporation (WATSYS), WRC (WATNET), Charles Howard y Associates (SPP8), y SAFEGE Consulting Engineers (Piccolo) emergieron como los proveedores de servicios integrales de modelación para varias empresas de Agua alrededor del mundo.

Los modelos entonces empezaron a extenderse a sistemas de mayor complejidad hidráulica (Bombas, Válvulas de Control, Simulación en Periodo Extendido, Calidad del Agua) y en ese momento agencias gubernamentales como el USACE[3] y la Agencia de Protección Ambiental de EE.UU (U.S. EPA) también desarrollaron sus propias aplicaciones.

En 1985 la División de Gestión y Planeación de Recursos Hidráulicos de la Sociedad de Ingenieros de EE.UU. (ASCE) en su conferencia anual (Buffalo, NY) realizó una serie de sesiones llamadas posteriormente “La Batalla de los Modelos de Redes” donde a partir de un sistema definido se solicitó la simulación y optimización a partir de diferentes modelos. Esto con el objeto de verificar las debilidades y fortalezas e distintas metodologías y modelos.

Aunque los modelos iniciales de calidad de agua (periodo estático) demostraron ser útiles, el avance de la simulación hidráulica precisaba modelos de calidad que representaran la dinámica del movimiento de contaminantes a través de la Red. En este sentido en el Simposio de Sistemas de Distribución realizado por la AWWA[4] en 1986 se da una introducción formal de Modelos Dinámicos de Calidad de Agua, como una ampliación a investigaciones anteriores donde tres grupos independientes liderados por universidades norteamericanas presentaron modelos dinámicos de calidad de agua para sistemas de distribución.

En 1987 se lanza el programa de dominio público WADISO desarrollado para una unidad experimental del USACE por los investigadores J. Gessler, J. Sjostrom y T. Walski. Dicho modelo basado en la metodología de Nodo Simultáneo contenía simulaciones de la red tanto en periodo estático como periodo extendido. Se trataba de un programa que permitía una entrada de datos interactiva vía teclado y permitía la inclusión de los diferentes elementos de una red como Bombas, Válvulas de Retención, Válvulas Reductoras de Presión, Múltiples fuentes, Patrones de consumo, etc. Una de las grandes novedades del software es la inclusión de un módulo de Diseño Optimización que permitía dimensionar las redes tanto para sistemas existentes como zonas de expansión.

En el periodo que va de 1988 - 1990 aparecen ya implementaciones de modelos de calidad de agua extendidos. Se puede destacar el modelo DWQM desarrollado por W. Graynman, R. Clark y D. Males que permitía ejecutar simulaciones dinámicas de calidad a partir de los caudales/velocidades generados por un modelo hidráulico y un esquema numérico alterno que permitía rastrear sustancias conservativas o no-conservativas a lo largo de la Red. En este modelo cada tramo de tubería se representaba como una serie de sub-tramos y sub-nodos seleccionados como una aproximación de la distancia que recorría la sustancia a ser analizada en un salto (tiempo) de cálculo (Método de Elementos Discretos de Volumen).

Para mediados de 1992 sale al mercado la primera versión del software CyberNET. Este software lanzado por la casa matriz Haestad Methods (Hoy Bentley Systems) con base en Connecticut, incluyó como gran novedad la integración del modelo hidráulico en un entorno CAD.

Para ese mismo año en la conferencia anual de la AWWA celebrada en Vancouver aparecieron en escena más de 15 diferentes empresas desarrolladoras de software comercial para promover las ventajas de sus productos y discutir el futuro de la disciplina de modelamiento hidráulico de redes. Dentro de estas firmas presente se encontraban paquetes comerciales como: CyberNET, RINCAD, STONER, AQUA, KYPIPE, Camp Dresser & McKee, CalcFlow, Piccolo, WaterWorks, TDHNET, Pipes for Windows, y WATSYS.

En 1993 se lanza la primera versión al público del Software EPANET desarrollado por un grupo de trabajo de la U.S. EPA liderado por Lewis Rossman. La primera versión de EPANET se basó en dos modelos de uso público mencionados anteriormente: WADISO (Simulación Hidráulica) y DWQM (Modelación Dinámica de Calidad). En ambos casos estos modelos estaban escritos en FORTRAN, y el equipo de Rossman los convirtió en lenguaje de programación C que para su época era un lenguaje de última generación. Como gran innovación se presentaba el uso de un programa en entorno gráfico de Windows, que brindaba al usuario un software de código abierto con una interfaz muy amigable que fue rápidamente adoptado por investigadores y la comunidad de ingeniería.

Es importante anotar que EPANET sufrió cambios significativos hasta el lanzamiento de la versión EPANET 2.0 a finales de la década (1998 – 2000), esto cambios no solamente tuvieron que ver con mejoras a la interfaz gráfica y herramientas de entrada de datos sino también con sus métodos de cálculo y algoritmos. En primer lugar en lo que tiene que ver con el método de análisis hidráulico se adaptó el método de gradiente conjugado (con el objeto de mejorar la velocidad de convergencia y uso de memoria). En lo que tiene que ver con el modelo dinámico de calidad también se reemplazó la aproximación Euleriana (M. Elememtos Discretos de Volumen) por una aproximación o método Lagrangiana, quien según un análisis comparativo realizado por P. Boulos y el mismo L. Rossman demostró ser más versátil y eficiente.

Si bien el algoritmo de Gradiente Hidráulico comenzó a ser una estándar de cálculo en la mayoría de programas luego de su adopción por el EPANET, cada nueva versión de los paquetes comerciales traía consigo mejoras en el manejo de datos, reportes gráficos y tabulares, gestión de escenarios, y la capacidad de interoperación con otros sistemas de información, especialmente con Bases de Datos comerciales y Sistemas de Información Geográfica (GIS).

A medida que nos movemos sobre el final de la década del 90 y comienzos del siglo XXI, nos encontramos que de manera análoga que muchos desarrolladores de Software comercial lanzaron al mercado diferentes paquetes de software o versiones más desarrolladas y en ambiente Windows de programas comerciales previamente desarrollados para DOS.

En 1998 el Centro Suizo de Desarrollo Cooperativo en Tecnologías (SKAT[5]) publica la primera edición del artículo “Overview of computer programs on drinking water distribution”; una selección completa de los 10 programas de software más usados a nivel mundial para el análisis y diseño de sistemas de Distribución basado en una completa información de los desarrolladores y distribuidores.

Dentro esta lista, que fue actualizada y refinada posteriormente en 2002 se encontraban programas como: EPANET 2.0 (U.S. EPA), WaterCAD 5.0 (Haestad Methods), Pipe 2000 (Civil Engineering Software Centre – U.KY), H2ONet/H2OMap (MWH Soft, Inc.), MIKE NET (BOSS International, Inc.), AquaNet (Finite Technologies Inc.), ERACLITO y ARCHIMEDE (PROTEO s.r.l.), STANET (Ingenieurbüro Fischer-Uhring), Wadiso SA (GLS Engineering Software Pty Ltd), entre otros. Estos (aunque algunos ya han desaparecido) son los predecesores de los actuales paquetes comerciales que lideran el mercado.

Periodo Actual: Desarrollos de la última Década y Tendencias Futuras

En los últimos 10 años (después de 2002), el desarrollo y avance de los paquetes comerciales ha sido tal que a pesar de compartir muchos la misma base del algoritmo de cálculo (Gradiente Hidráulico) existe una marcada diferenciación entre los diferentes software especialmente en conceptos de interoperabilidad, facilidad de uso, herramientas de productividad, procesos de consulta multi-criterio, operaciones de análisis espacial, posibilidades gráficas, integración con Sistemas de Información Geográfica (GIS), etc.

Predecir el futuro y las tendencias de desarrollo no es una tarea fácil, especialmente por la pronunciada dinámica de la industria del software. Sin embargo hay tendencias que claramente están ganando popularidad marcarán algunos de los desarrollos futuros, como son:

- Intercambio de Datos con otros Sistemas de Información, Dispositivos Electrónicos (Gadgets) y/o otros programas de gestión.

- Uso de avanzadas técnicas de inteligencia artificial (ej: Algoritmos Genéticos) para procesos de calibración hidráulica automatizada, diseño optimo y optimización energética.

- Detección ***ítica de Fugas

- Planes de Vulnerabilidad ante eventos de Contaminación

- Integración con SCADA

- Análisis de Calidad multi-parámetro

- Integración con Análisis de Transientes Hidráulicos

Las más recientes versiones del Software Bentley WaterCAD y WaterGEMS en su versión V8i SS2, incluyen herramientas adicionales a la simulación hidráulica convencional que van acorde con estas nuevas tendencias de desarrollo y avance de los modelos hidráulicos. Más información en: http://www.bentley.com/en-US/Solutions/Water+and+Wastewater/Potable+Water.htm

Concluye aquí la recopilación que hace este Blog sobre el avance de los modelos computacionales para el análisis de redes de distribución entendiendo que con el transcurso de las décadas se han convertido en herramientas cada vez más poderosas y de análisis multicriterio.

No obstante, lo anterior no elimina la necesidad de contar en los proyectos de modelación con la participación de ingenieros y técnicos experimentados, dado que sigue siendo responsabilidad del usuario de los modelos el entendimiento del sistema real y del modelo, y la toma de decisiones operativas de diseño y/o administrativas basadas en el buen juicio de ingeniería.

BIBLIOGRAFIA

(1) THE HISTORY OF WATER DISTRIBUTION NETWORK ANALYSIS: THE COMPUTER AGE. Lindell E. Ormsbee. Director Kentucky Water Resources Research Institute, U. KY. Articulo publicado por ASCE. 2006.

(2) ADVANCED WATER DISTRIBUTION MODELING AND MANAGEMENT. Haestad Methods. First Edition. Waterbury (USA). 2004.

(3) INGENIERIA HIDRÁULICA: Aplicada a los Sistemas de Distribución de Agua. Autores Varios -Universidad Politécnica de Valencia. Segunda Edición. Valencia (Es), 1996.

(4) HIDRÁULICA DE TUBERIAS - Abastecimiento de Agua, Redes, Riegos. Juan G. Saldarriaga. Alfaomega-Uniandes. Segunda Edición - Alfaomega-Uniandes. Bogotá (Co), 2007.

(5) WATER DISTRIBUTION SYSTEM HANDBOOK – INTRODUCTION. Mays L. W. Ed. McGraw Hill. New York. 2000.

(6) WATER DISTRIBUTION SYSTEM ANALYSIS: Field Studies, Modeling and Management. Reference Guide for Utilities. U.S. Environmental Protection Agency. Office of Research and Development. Water Supply and Water Resources Division. 2005.

(7) BENTLEY WATERGEMS V8i EDITION. Users Guide. Haestad Methods Solution Center – Bentley Systems, Inc. 2006.

[1] El Método del Gradiente Hidráulico constituye un método híbrido con variaciones a los procesos clásicos de solución (Newton-Raphson) donde mediante una técnica de manejo de matrices dispersas el problema es finalmente conducido a una solución algebraica mediante el proceso iterativo conocido como Algoritmo de Factorización Incompleta de Choleski.

[2] U.S. EPA (U. S. Environmental Protection Agency): Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos.

[3] U.S. ACE (U. S. Army Corps of Engineers): Cuerpo de Ingenieros de la Armada de Estados Unidos.

[4] AWWA: American Water Works Association.

[5] SKAT: Swiss Centre for Development Cooperation in Technology and Management

Explicación de la Propiedad GIS-ID (para versiones V8i)

Juan Gutierrez — Tue, 26 Jan 2010 22:20:00 GMT

A partir de la versión V8i de los productos de Software Bentley para Modelamiento Hidráulico (léase WaterCAD, WaterGEMS, HAMMER, SewerCAD, StormCAD y SewerGEMS) se ha agregado una nueva propiedad de los elementos del modelo que representan el sistema hidráulico llamada GIS-ID.

Con respecto a esta propiedad, he recibido diferentes preguntas de nuestros usuarios acerca de cuál es la diferencia de esta propiedad con otros campos como o que históricamente han sido utilizados dentro de la línea Haestad de Bentley como identificadores de los elementos. Adicionalmente, dentro del proceso de importación de datos externos vía ModelBuilder ha aparecido una nueva ventana de opciones adicionales de importación de datos donde aparecen algunas preguntas que hacen referencia al campo GIS-ID.

En consecuencia, he considerado pertinente hacer una breve explicación sobre el campo GIS-ID y las enormes ventajas que esta implementación brinda a los usuarios de los productos de software Bentley para modelamiento hidráulico.

En primer lugar, es importante aclarar que la propiedad GIS-ID se adicionó en la versión V8i de nuestros productos para cada uno de los elementos gráficos del sistema, por tanto el usuario no necesita hacer ningún procedimiento especial para activar este campo.

Esta propiedad fue introducida por nuestro equipo de desarrollo para permitir complejas asociaciones entre los elementos de un modelo con los elementos incluidos en un Sistema de Información Geográfica - GIS (Por sus siglas en Inglés) dado que convencionalmente solo existía una muy rígida asociación de tipo uno-a-uno de elementos entre ambos modelos de datos (Modelo - GIS). Adicionalmente, esta propiedad tiene por objeto facilitar la administración y sincronización de datos entre ambos modelos de datos durante la vida útil de los mismos, teniendo en cuenta que usualmente las actualizaciones de datos se dan de manera separada o en paralelo.
Actualmente, las asociaciones a través de la propiedad GIS-ID se mantienen sin importar que se realicen tareas básicas de limpieza o simplificación del modelo tales como: dividir tuberías, fusiños de nodos en proximidad, conversión (morph) de elementos nodales, esqueletización e inclusive la remoción de elementos.

Como se anotó anteriormente, ahora cuando se use ModelBuilder se puede seleccionar esta propiedad para asociar el modelo con la fuente externa, en efecto el usuario encontrará tres opciones de asociación:

Label o nombre del elemento (la cual es una asociación uno-a-uno).
GIS-ID (soportando uno-a-uno, muchos-a-uno y uno-a-muchos)
Custom o personalizada (se podrá usar una propiedad definida por usuario (UDX) en el modelo para un control personalizado)

Adicionalmente se tienen otros beneficios cuando se usa la opción GIS-ID en ModelBuilder especialmente durante labores de sincronización o re-sincronización de datos que aumentan el rendimiento del proceso (por ejemplo: volcado de datos de uno-a-muchas asociaciones o la no recreación de elementos que haya sido removidos de la fuente de datos).

Para mayor información de la porpiedad GIS-ID consulte la ayuda del software, especialmente en los tópicos: "GIS-ID" y "ModelBuilder wizard".

Espero este post haya sido de utilidad para los modeladores que regularmente visitan mi blog. Saludos,

Juan Carlos Gutiérrez A., IC. MSc.
Ing. Especialista Soluciones de Modelación Hidráulica
Bentley Systems - Latin America

Lanzamiento de Nueva Versión V8i SS1 para WaterCAD y WaterGEMS

Juan Gutierrez — Thu, 05 Nov 2009 22:37:00 GMT

Por medio de este espacio, me complace anunciar el lanzamiento de una nueva actualización para sus productos WaterCAD V8i y WaterGEMS V8i, con docenas de nuevas características que siguen marcando el liderazgo de estos productos en el mercado de modelación hidráulica.

Esta actualización incluye una serie de innovaciones, con el propósito de aumentar la productividad de los usuarios de WaterCAD y WaterGEMS en sus labores de modelación y diseño de sistemas de distribución, y estará disponible como actualización gratuita para nuestros suscriptores al programa SELECT.

Usuarios nuevos o existentes se beneficiarán de las nuevas características que hacen de la versión V8i SS1 mucho más eficiente, poderosa y fácil de usar. Dentro de las características más importante incluidas en esta actualización tenemos:

MÓDULO DARWIN SCHEDULER (Incluido en WaterGEMS - Disponible en WaterCAD como adición)

Darwin Scheduler® es un nuevo módulo de optimización que se agrega a la funcionalidad de nuestros productos. Esta herramienta ayudará a los ingenieros a encontrar una estrategia de programación para la operación de estaciones de bombeo (ciclos encendido - apagado) optimizando o bien el consumo de energía o los costos operativos. Este modulo permite analizar o bien bombas de velocidad fija (FSP) o bombas de velocidad variable (VSP)

ADMINISTRADOR DE ZONAS DE PRESIÓN (Pressure Zone Manager)

El nuevo administrador de zonas de presión, automatiza el proceso de identificación de múltiples zonas de presión en un sistema de distribución, así como las características de estas zonas.
La herramienta de balance de caudales, permitirá al usuario visualizar los resultados del modelo por zonas de presión brindando la posibilidad de determinar fácilmente áreas con presiones excesivas o insuficientes.

NUEVAS HERRAMIENTAS PARA COMPARACIÓN DE ESCENARIOS

El nuevo administrador para comparación de escenarios, es una excelente vía para rastrear los resultados de los escenarios y comparar diferentes estrategias o alternativas, especialmente cuando las diferencias entre un escenario y otro son leves.
El modelador podrá ahora visualizar estas diferencias en una tabla detallada para comparar las variaciones en cualquier parámetro hidráulico, o desde el área de dibujo identificando visualmente aquellos elementos que presenten diferencias entre escenarios.

CREACIÓN RÁPIDA DE PERFILES

Se han introducido mejoras al proceso de creación de perfiles permitiendo al usuario seleccionar solamente el tramo inicial y final, sin tener ahora que seleccionar cada una de los segmentos que conforman la ruta del perfil. Esta funcionalidad permite al modelador escoger puntos "obligados" para guiar al software en seleccionar la ruta correcta.

VERDADERO COMPROMISO DE INTEROPERABILIDAD GIS & CAD

Bentley WaterCAD y WaterGEMS son los únicos productos del Mercado capaces de ofrecer en un solo producto interoperabilidad con las plataformas de ingeniería más populares del mercado. La nueva versión V8i SS1 soporta ahora las siguientes plataformas:

- Windows Stand Alone
- MicroStation V8i (08.11.07.163)
- AutoCAD® V.2010
- ArcGIS® 9.3.1. (Solo WaterGEMS)

Nota: Versiones previas de ArcGIS y AutoCAD son también soportadas.

MEJORAS EN RENDIMIENTO

Considerando que el tiempo es el recurso más valioso de nuestros usuarios, la versión V8i SS1 cuenta con mejoras en los siguientes campos:
- Mayor rendimiento en la simulación de grandes modelos (>10,000 Tramos)
- Cálculos más rápidos para procesos que involucren Algoritmos Genéticos
- Optimizaciones varias al algoritmo de cálculo

Las anteriores características se agregan a las innovaciones incluidas en el lanzamiento de la versión V8i, hace menos de un año, tales como: Detección Analítica de Fugas, Mejoras en la construcción de Modelos e Integración con SIG, Simulación de Vaciado de Tuberías, Nuevos Elementos (válvulas de aire y tanque hidroneumáticos), etc.

Si desea tener mayor información sobre la nueva versión WaterCAD y WaterGEMS V8i SS1, no dude en consultarme a través de este Blog. Att,

Juan Carlos Gutiérrez A., IC. MSc.
Regional Engineer - Water and Wastewater Solutions
Bentley Systems - Latinoamérica
Email: Juan.Gutierrez@bentley.com

Sintesis de diferencias entre Bentley WaterCAD/GEMS V8i y EPANET

Juan Gutierrez — Thu, 13 Aug 2009 17:45:00 GMT

En primer lugar, es importante anotar que el algoritmo de análisis hidráulico que aplican Bentley WaterCAD/GEMS, EPANET y algunos otras herramientas de modelización se basan en una misma metodología de cálculo denominada Gradiente Conjugado. Esta es una metodología que dado el manejo que tiene de matrices acopladas y el uso de la factorización incompleta de Cholesky, reduce el manejo de datos, memoria de equipo y optimiza el número de iteraciones requeridas por el modelo.

No obstante sobre esta formulación o metodología de análisis, se han venido realizando por parte del Centro de Soluciones Haestad de Bentley Systems y durante casi dos décadas, importantes desarrollos y avances para ofrecer las características y funcionalidad que han convertido a WaterCAD V8i y WaterGEMS V8i (su similar en entorno GIS) en las herramientas más completas y líderes del mercado. En el caso de EPANET, los últimos desarrollos del algoritmo base datan del año 2002 aunque se han presentado algunos parches y corrección de errores en los últimos años.

Hoy en día y especialmente en las versiones lanzadas después del año 2005, existen diferencias sustanciales en las capacidades de cálculo de WaterCAD y WaterGEMS, que no existen en EPANET u otros programas que se encuentran perfectamente documentadas en los manuales del producto y página Web de Bentley. (Ver Matriz Comparativa - abajo).

Existen por tanto importantes diferencias que pueden catalogarse en cinco grandes grupos: i) Interfaz de Usuario e Interoperabilidad con Plataformas Externas, ii) Construcción Inteligente de Modelos a partir de procesamiento de datos externos, iii) Análisis Hidráulico extendido y nuevos Elementos de Modelación, iv) Herramientas de Análisis y Diseño Avanzado, v) Soporte Técnico y Asistencia Comercial en los cinco continentes.

Para mencionar solo algunos de los aspectos más destacados tendríamos:

WaterCAD y WaterGEMS son los únicos productos del mercado en ofrecer soporte para 4 plataformas intercambiables como son AutoCAD, MicroStation, ArcGIS (solo WaterGEMS), adicional a una plataforma autónoma Stand Alone con toda la funcionalidad. Adicionalmente, el software soporta la sincronización bi-direccional con geo-bases de datos creadas en entornos GIS para ser importadas en la construcción automática de modelos y/o asignación de demandas.
WaterCAD y WaterGEMS cuentan con el mejor administrador de escenarios del mercado. Las herramientas del administrador de escenarios brindan gran flexibilidad mediante el uso de diferentes combinaciones de alternativas. Tanto los grupos de alternativas como de escenarios, pueden ser administrados de manera jerárquica bajo una estructura parental (Padre e hijo).
Las tablas flexibles en WaterCAD y WaterGEMS (disponibles en todas las plataformas) brindan al usuario una increíble flexibilidad en la configuración de reportes tabulares. El orden y número de parámetros, el ancho y texto de los campos, la precisión y las unidades son completamente personalizables. Adicionalmente, con un simple click derecho es posible generar gráficos y su asociación a los datos para una mejor visualización de resultados. De igual forma, con un simple Copiar/Pegar puede interactuar bi-direccionalmente con hojas de cálculo en Excel.
La calibración hidráulica a través del módulo Darwin Calibrator® no tiene paralelos en la industria. Esta herramienta basada en una implementación de Algoritmos Genéticos puede gestionar múltiples situaciones específicas de demandas y condiciones de frontera de una jornada de medición de datos en campo.
WaterCAD y WaterGEMS a través del módulo Darwin Designer® ofrecen una herramienta para diseño optimizado de redes y/o rehabilitación, permitiendo desarrollar análisis de: Costo Mínimo, Máximo Beneficio y Análisis Multi-Objetivo (multi-objective tradeoff analysis) entre costos y rendimiento hidráulico.
Herramientas de Análisis Extendido como Análisis de Segmentación y Estado Crítico, Análisis de Incendio, Análisis de vaciado Uni-Direccional, Análisis de Costos de Energía e Integración a Bentley HAMMER para análisis de transientes hidráulicos.
El módulo de análisis crítico (Criticality Análisis®) para WaterCAD y WaterGEMS permite soportar las labores operativas y evaluar el impacto de fallos en el sistema por roturas o labores de mantenimiento, cuantificando el impacto en el servicio que conlleva el aislamiento de tramos. Lo que distingue a WaterCAD/GEMS es la capacidad de realizar este análisis considerando la localización exacta y el estado de las válvulas de aislamiento del sistema.
Finalmente, desde el punto de vista de soporte empresarial no existe parangón ninguno en el campo de servicio al cliente. Es de hecho el Centro de Soluciones Haestad de Bentley Systems, la única compañía en la industria del Software para la Modelación Hidráulica e Hidrológica, que cuenta con un equipo completo de ingenieros de habla hispana encargándose de atender las solicitudes comerciales, brindar asistencia técnica, y efectuar a lo largo y ancho del continente cursos de capacitación en nuestros productos.

En síntesis son muchas las diferencias que se pueden establecer entre Bentley WaterCAD y WaterGEMS y un producto de código abierto como EPANET. En esencia el desarrollo del software ha tenido como principal enfoque responder a los requerimientos de usuarios con proyectos reales (no simplemente académicos) con tiempos de entrega cortos; para lo cual se provee al modelador de herramientas de productividad que maximizan las actividades de construcción, calibración y desarrollo de múltiples escenarios de operación.

El objetivo primordial es que el modelador hidráulico dedique la mayor parte del tiempo de los proyectos en la ingeniería y análisis y no consuma ineficientemente recursos en ingreso de datos, verificación topológica, asignación de demandas, gestión de archivos, preparación de reportes; sino que todos estos procesos sean completamente automatizados.

Se muestra a continuación una matriz comparativa de las principales diferencias entre productos:

Característica WaterCAD/GEMS V8i EPANET

Análisis en Estado Estático. √ √

Análisis en Periodo Extendido √ √

Análisis de Calidad √ √

Análisis Automatizado de Flujo de Incendio √ NO

Análisis de Costos de Energía √ Limitado

Análisis Crítico y de Segmentación (Critically Analysis) √ NO

Análisis de Vaciado Uni-Direccional (Flushing Analysis) √ NO

Archivos de Fondo Escalado - Manejo DXF, SHP e
Imagenes √ NO

Manejo de Múltiples Escenarios y Alternativas en un
único Archivo y Análisis Comparativo √ NO

Posibilidad de Creación de Submodelos y acoplamiento
de estos en Modelos Maestros. √ NO

Controles Lógicos Simples √ √

Controles Lógicos Compuestos √ Limitado

Módulo para Esquelitización Inteligente de Modelos. √ NO

Algoritmos Genéticos en Calibración y Diseño óptimo √ NO

Navegador de la Red y Generación automática de
consultas topológicas y de conectividad √ NO

Bombas de Velocidad Variable √ NO

Curvas de Energía del Sistema. √ NO

Elemento Hidrante √ NO

Elemento Válvula de Aislamiento/Seccionamiento √ NO

Emisores y Nodos Dependientes de Presión √ Limitado

Integración con AutoCAD 2009 √ NO

Integración con MicroStation V8i √ NO

Integración con ArcGIS 9.x √ Algunos Desarrollos Externos

Herramientas Automatizadas de Anotación √ NO

Compatibilidad ODBC √ NO

Gestión y Manejo de Bases de Datos - Sincronización
con GIS, Access y Excel. √ NO

Asignación Automática de Cargas a partir de
consumos Geo-referenciados (LoadBuilder) √ NO

Edición Global de Elementos, Morphing, etc. √ NO

Creación de Líneas de Perfil, incluida línea de terreno. √ NO

Consultas y Filtros tipo SQL. √ NO

Desarrollo Aplicaciones y Personalización. √ (WaterObjetcs) √

Datos Operativos de Tanques (Niveles, Mezcla, etc) √ √

Capacidad de Reportes Tabulares y Gráficos
Personalizados. Herramientas de Animación. √ Limitado

Reportes Estadísticos del Sistema (Min., Max., Prom.) √ NO

Licenciamiento en Redes de Área Local (LAN Networks) √ NO

Soporte Técnico 7 días y Actualizaciones Periódicas √ NO

Las 10 Preguntas más frecuentes sobre Bentley HAMMER

Juan Gutierrez — Wed, 12 Aug 2009 22:55:00 GMT

Estimados Foristas:

Dadas las múltiples preguntas que semanalmente recibo por parte de usuarios y/o interesados del software Bentley HAMMER, presento a continuación las preguntas más frecuentes sobre el alcance y uso de este poderoso software para análisis de transientes hidráulicos y golpe de ariete.

Espero estas respuestas informativas sean de utilidad para todos.

Juan Carlos Gutiérrez A., IC. MSc.
Bentley - Latin America

Puedo abrir modelos WaterGEMS/CAD V8i en HAMMER?

Si. A partir del lanzamiento de las versiones V8, HAMMER utiliza el mismo formato (y estructura de datos) que usan WaterGEMS V8i y WaterCAD V8i al momento de guardarse sus archivos. En consecuencia, los usuarios de HAMMER pueden abrir directamente estos archivos así como importar modelos hidráulicos creados en EPANET.

Los tres productos Bentley usan los formatos de archivo .wtg y .wtg.mdb para almacenar los datos del modelo. Sin embargo HAMMER es un producto independiente y complementario a WaterCAD/GEMS. HAMMER no es un módulo de WaterCAD.

En qué metodología está basado el motor de cálculo de HAMMER?

El robusto motor de cálculo de Bentley HAMMER para el análisis dinámico de transientes hidráulicos está basado en el Método de las Características (MOC). Los resultados provistos por HAMMER han sido probados y validados en cientos de proyectos Municipales, Mineros e Hidroeléctricos.

Los principales investigadores del fenómeno transiente están de acuerdo en que el Método de las Características es el más adecuado para resolver rigurosamente las ecuaciones de continuidad y momentum del fenómeno transiente tanto en sistemas simples como complejos.

Qué tipo de demandas deben incluirse en los nodos de consumo como condiciones iniciales para la simulación de un transiente hidráulico?

Típicamente, el modelador debe ejecutar una simulación de transiente para las horas de máxima (mayores velocidades) y mínima (mayores presiones iniciales) demanda. Estos datos deben estar basados en las condiciones y datos medidos o estimados del sistema en consideración.

Los quiebres (bends) definidos en las tuberías son considerados en los cálculos de fuerzas vectoriales?

No, actualmente estos vértices o quiebres incluidos en las tuberías del modelo no son considerados. Si usted necesita estudiar los efectos de las fuerzas producidas durante el transiente (X/Y/Z) en una tubería con este tipo de quiebres, deberá considerar reemplazar dichos vértices con el elemento nodo (junction) e incluir esta unión dentro de los puntos de reporte de HAMMER.

Cuándo creo un Perfil bajo el menú View > Profile, parece que esta gráfica solo me muestra el perfil de la tubería y la línea piezométrica inicial. Donde puedo ver un gráfico detallado de los resultados obtenidos durante la simulación?

El reporte gráfico básico (View/ Profile) permite ver los resultados de la simulación de condiciones iniciales y si ya se ha ejecutado el transiente permitirá ver la envolvente de presiones máximas y mínimas obtenidas durante la simulación. Sin embargo este gráfico no es detallado pues solo mostrará los valores estadísticos (máximos y mínimos) en las uniones (junctions) que tenga el perfil.

Los resultados detallados de los transientes se pueden ver a través de la herramienta "Transient Results Viewer" la cual se localiza bajo el menú de Análisis. La cantidad de resultados incluidos en este visualizador está determinado por la configuración de los parámetros: Report Period, Report Points y Generate Animation Data?. Estos parámetros se encuentran en las opciones de cálculo para transientes (Analysis > Calculation Options > Transient calculation options).

Cómo se definen las condiciones de inicio de la simulación de un transiente?

Un transiente hidráulico puede considerarse como una perturbación de un sistema hidráulico entre dos condiciones de equilibrio (Cond. inicial - Perturbación - Cond. Final). Por tanto, la definición de las condiciones estáticas del sistema antes de producirse el transiente es esencial.

En Bentley HAMMER las condiciones iniciales pueden definirse usando una de las dos opciones disponibles. Primero, usted puede hacer uso del motor de cálculo para simulación hidráulica del sistema en régimen permanente (steady state solver) que hace uso del mismo algoritmo de cálculo que usan WaterGEMS o WaterCAD (disponible en HAMMER). Esta opción que se encuentra bajo el menú Analysis> Compute initial conditions permiten calcular automáticamente la condiciones del sistema basado en las demandas, condiciones de frontera y otros atributos de los elementos que componen el sistema. El motor de cálculo para el análisis de transientes tendrá en cuenta los caudales y los valores de gradiente hidráulico calculados automáticamente.

Alternativamente, usted puede definer manualmente las condiciones iniciales (caudal y carga) definiendo como Verdadero el atributo llamado "specify initial conditions?" que se encuentra dentro de las opciones de cálculo del motor de análisis de transientes (Analysis> Calculation options). Bajo esta definición, el análisis de transiente no tundra en cuenta las cargas y caudales calculados por la herramienta "compute initial conditions", y por el contrario tendrá en cuenta los valores de carga y caudal que usted debe ingresar en la categoría de propiedades "transient (initial)" para cada uno de los elementos del sistema.

Cómo puedo observar los resultados completos del análisis de transientes para cada salto de tiempo? - Parámetros como velocidad de la bomba, flujo de aire a través de una válvula ventosa, volumen de gas de un tanque hidroneumático, etc.

Los resultados que se pueden extraer de los reportes tabulares básicos (Flextables) son los resultados estadísticos del transiente (máximos y mínimos) dado que los saltos de tiempo en el análisis de transientes son numerosos pues se trata de centésimas o inclusive milésimas de segundo.

Por tanto si quiere ver este tipo de resultados para cada salto de tiempo, lo primero que debe hacer es ingresar un número para el atributo "Report Period" de los elementos de su interés. Este parámetro representa la frecuencia con la cual se guardarán los resultados para dicho elemento. Por ejemplo un Periodo de Reporte de ‘10' significa que los resultados serán mostrados cada 10 saltos de tiempo. Deberá asegurarse que la opción "Text Report" esté activada en las opciones de cálculo de transientes, Una vez ejecute las condiciones iniciales y el análisis de transientes, los resultados detallados podrá encontrarlos bajo el menú Report > Transient Analysis Reports > Transient Analysis Detailed Report. Se tratará de un archivo de texto para el cual podrá explorar las diferentes tablas de resultados generadas en los diferentes periodos de reporte y para los puntos seleccionados.

Cuál es el significado del siguiente mensaje de advertencia y en que se basa la desviación/divergencia que se menciona?

"WARNING: The wavespeed or length approximations deviate excessively from the entered values. Lengthen short pipes and/or subdivide longer pipes."

La divergencia (desviación) mencionada en esta notificación o mensaje de advertencia está basada en un porcentaje, el cual podrá observar por las unidades definidas bajo el menú Analysis > transient timestep options.

En esencia y basado en este salto de tiempo, HAMMER trata de tener una onda que sea capaz de viajar de un extremo de un tramo de tubería al otro al menos en un múltiplo de este salto de tiempo. Por tanto, HAMMER tratará de ajustar la longitud del tramo de tubería para permitir que esto suceda. Por defecto, si se tiene que ajustar la longitud en más de cierto porcentaje (opción por defecto en la parte inferior derecha de la ventana ‘Transient Timestep Options'), entonces aparecerá esta advertencia. Básicamente, el mejor escenario es tener todos los tramos de tubería con la misma longitud, sin embargo esto usualmente no es posible. De tal manera, el modelador debería hacer que estas longitudes de tramos sean cercanas. Usted también podrá ajustar el salto de tiempo haciéndolo más pequeño lo cual usalmente ayuda. Posiblemente usted podrá también ignorar la advertencia si basado en su juicio los resultados son coherentes y lucen correctos. Además de cambiar el salto de tiempo previamente mencionado y verificar las opciones de ajuste de salto de tiempo. Al final, se trata de un balance entre precisión y tiempo de cálculo. Entre más pequeño el salto de tiempo mejor será la precisión pero mayor será el tiempo requerido para que la simulación se complete.

Cómo se puede agregar un nuevo material (por ejemplo: PEAD) en la librería de materiales?

Bentley HAMMER ya viene con librerías de ingeniería pre-configuradas para Materiales de Tuberías y Líquidos. No obstante estas librerías pueden ser personalizadas por los usuarios.

Siendo honesto, desconozco la razón por la cual el material PEAD (o HDPE por sus siglas en Inglés) no ha sido incluido en la librería inicial de materiales. Puede ser que este material presente muchas variaciones en su rugosidad y modulo de elasticidad según el proceso industrial o la marca de fabricante. En cualquier caso esto no es problema, pues el usuario puede incluir este y otros materiales en la librería siguiendo este procedimiento:

En HAMMER diríjase al menú Components > Engineering Libraries y haga click en el signo (+) para expandir la categoría "Material Libraries"
Sobre la línea MaterialLibrary.xml (que representa el archivo donde se almacenan datos en dicha librería) haga click derecho y seleccione la opción "add item"
A continuación una nueva entrada para materiales sera agregada al final de la lista. Haga click derecho, sobre esta nueva entrada y renómbrela ingresando el nombre del material 8En este caso PEAD o HDPE)
En el lado derecho, ingrese los coeficientes de fricción o rugosidad así como los valores del Módulo de Young y la tasa de Posisson (Poisson's ratio) para este nuevo material. Una vez ingresado estos valores haga click en <close>.

Nota: Los parámetros ‘Young's Modulus' y ‘Poisson's ratio' son únicamente necesarios en caso de usar la herramienta ‘wave speed calculator tool' para el cálculo automático de la Onda de Celeridad o Perturbación del sistema.

Finalmente, si el usuario quiere crear su propia librería de materiales (archivo .XML) basados en catálogos de fabricantes locales en lugar de alterar la librería MaterialLibrary.xml que por defecto trae HAMMER, simplemente haga Click Derecho bajo la categoría "Material Libraries", y selecciones la opción "Create library", escoja una ubicación en su disco duro para almacenar el archivo, y entonces repita los pasos 2-4 explicados arriba.

En mi modelo estoy usando válvulas de regulación tipo FCV, PRV y PSV, pero estas parecen no estar trabajando según la configuración que he ingresado, por qué?

Las propiedades de configuración o consigna de reducción de presión / sostenimiento de presión / control de caudal de estas válvulas sola mente serán consideradas bajo el cálculo de condiciones iniciales (steady state).

Esto sucede porque HAMMER considera que durante el evento de transiente la velocidad de onda y propagación de la perturbación es tan veloz que este tipo de válvulas normalmente no están diseñadas para actuar lo suficientemente rápido ante estos cambios de presión/caudal.

Si usted está analizando un evento de transiente hidráulico lo suficientemente largo y requiere modelar el efecto de estas válvulas, será necesario que para estos elementos defina y asocie una regla operacional (operating rule) donde defina como se dará el cierre o apertura de la válvula.

Diferencias entre SewerCAD y SewerGEMS

Juan Gutierrez — Tue, 30 Jun 2009 22:08:00 GMT

Hola todos:

Nuevamente utilizo este espacio para responder una de las preguntes más frecuentes que recibo como especialista en la productos de modelación hidráulica de Bentley.

Ya en el pasado había sintetizado las diferencias entre WaterCAD y WaterGEMS (Ver http://communities.bentley.com/Other/Old_Site_Member_Blogs/Bentley_Employees/b/juan_gutierrezs_blog/archive/2009/05/14/diferencias-entre-watercad-y-watergems.aspx#65572), así que ahora me dispongo a explicar las diferencias entre SewerCAD y SewerGEMS en lo que tiene que ver con modelación de sistemas de drenaje urbano, especialmente al no poderse realizar la misma analogía con las diferencias de los productos Water.

Lo primero por aclarar es que SewerCAD es un programa de análisis y diseño de sistemas de drenaje urbano con énfasis en Sistemas Sanitarios, basado en un algoritmo de cálculo de de Flujo Gradualmente Variado (FGV). Esto implica, que el motor de cálculo realiza un análisis de línea de energía del fluido a través del método estándar considerando las condiciones de flujo (Subcrítico, Crítico, o Supercrítico)

SewerCAD ofrece la posibilidad de hacer análisis estáticos o cuasi-estáticos (Periodo Extendido). Durante una simulación en Periodo Extendido, las cargas sanitarias con variación en el tiempo o hidrogramas de caudales entrantes (que también pueden ingresarse directamente) son "ruteados" a través del sistema de colectores a gravedad para tener en cuenta el tiempo de viaje del agua a través del sistema por traslación y otros efectos. La metodología que usa SewerCAD se llama de Ruteo Convexo (Convex Routing) que en términos generales implica que para cada salto de tiempo o salto de cálculo hidráulico, el programa evalúa el caudal de cada tramo basado en el caudal entrante y saliente del salto de cálculo previo.

Otro aspecto característico de SewerCAD es que ofrece la posibilidad de realizar un diseño automatizado (optimización de diámetros) de la Red basado en criterios como % de capacidad de las tuberías, y rangos mínimos y máximos de velocidad, pendiente y cobertura en los colectores del sistema.

SewerCAD es también un modelo multi-plataforma capaz de soportar plataformas como MicroStation, AutoCAD y una interfaz autónoma llamada Stand-Alone. De igual manera, SewerCAD permite el análisis de sistemas a gravedad o sistemas que combinan subsistemas a presión y subsistemas a gravedad.

SewerGEMS es por su parte un modelo completamente dinámico y de flujo no permanente (Resolución completa de las ecuaciones de St Venant) para el análisis de Sistemas de Drenaje Urbano que bien podrán ser Sanitarios, Pluviales y/o Combinados. Al igual que SewerCAD, SewerGEMS es un modelo multiplataforma con soporte a plataformas Stand Alone, AutoCAD, MicroStation y ArcGIS (Sólo SewerGEMS).

Como aspecto diferenciador SewerGEMS ofrece dos motores de cálculo: i) Un motor nativo denominado Dynamic Wave y ii) el motor de cálculo EPA-SWWM. El motor nativo desarrollado por el Centro de Soluciones Haestad, se basa en una solución implícita que ha demostrado mayor estabilidad numérica en ciertas situaciones como alivios y estructuras de control, condiciones forzadas, flujo inverso, etc.

Se debe tener en cuenta que si bien SewerGEMS permite importar modelos creados previamente en SewerCAD, se trata de dos análisis numéricos diferentes. Situación que no sucede en WaterCAD y WaterGEMS que comparten un mismo motor numérico.

Por otra parte, los modelos de análisis dinámicos y de flujo no-permanente como SewerGEMS, son modelos en esencia de simulación y comprobación de diseño. El motor dinámico de SewerGEMS no está concebido como un análisis de diseño optimizado.

En un próximo tema, explicaré las bondades de los modelos de flujo no-permanente y el por qué son importantes este tipo de análisis. No obstante a continuación, enumero las principales ventajas y características diferenciadoras de SewerGEMS:

Único programa del Mercado que ofrece total libertad de interfaz. Con soporte para cuatro plataformas. Stand Alone, AutoCAD, MicroStation y ArcGIS.
Soporte para esquemas de cálculo explícito (SWMM) y estable motor implícito propio (Dynamic Wave).
Capacidad completa para el análisis de estructuras de control (orificios, vertederos, risers, etc), lo que permite la simulación de complejas estructuras de almacenamiento/detención.
Análisis matemático robusto para resolver cualquier tipo de transición hidráulica: colector (conducto cerrado) a canal abierto (prismático o irregular) y viceversa.
Algoritmo de cálculo para análisis de red superficial de cunetas y sumideros para simular la interacción de la red superficial con la red de colectores de alcantarillado.
Capacidad de análisis extensiva para la simulación de bombeos, redes a presión y condiciones a flujo libre combinadamente.
Único programa del mercado capaz de importar modelos nativos de SWMM, SewerCAD y StormCAD.

IMPORTANTE: A partir del lanzamiento de la versión V8i (Marzo de 2009), quienes adquieran una licencia SewerrGEMS obtienen dos programas en uno: i) SewerGEMS - Motor de Análisis Dinámico Multiplataforma y ii) SewerGEMS Sanitary - Motor de Flujo Gradualmente Variado Multiplataforma. SewerGEMS Sanitary es el mismo SewerCAD con la diferencia de ofrecer también soporte a la plataforma ArcGIS.

Quiero pedir disculpas a los visitantes de este Blog por lo extenso de la respuesta, pero se hacían necesarias las diferentes precisiones.

Cualquier preguntan o adición al tema no duden de escribirla utilizando este mismo espacio de discusión. Saludos a todos,

Juan Carlos Gutiérrez A., IC. MSc.
Ing. Especialista Soluciones de Modelación Hidráulica
Bentley Systems - Latin America

¿Cuál es la forma correcta de modelar una fuga en WaterGEMS?

Juan Gutierrez — Tue, 23 Jun 2009 22:50:00 GMT

He decidido incluir esta pregunta en nuestro foro, pues frecuentemente recibo esta inquietud por parte de usuarios de WaterCAD y WaterGEMS de nuestra comunidad.

Con relación a la forma de modelar fugas, considero que la mejor opción es utilizar la ecuación de emisores de flujo (Flow Emitters) incluída en WaterCAD/GEMS como una propiedad de los nodos de consumo. Como bien saben un emisor de flujo relaciona la descarga o caudal del emisor en función a presión que se presenta en dicho punto usando la siguiente ecuación:

Q=K*P^n

Donde:
Q = Caudal de la Fuga (gpm, l/s)
K = Coeficiente del emisor(gpm/psin, l/s/mn)
P = Presión aguas arriba del nodo o punto de fuga (psi, m)
n = Exponente del emisor (Usualmente se utiliza un valor de 0.5 pero este puede modificarse)

En esencia, para modelar fugas los parámetros que se deben en WaterGEMS son 'k' y 'n'. El exponente de emisor, n, es una variable global que puede definirse en las opciones de cálculo. Mientras el coeficiente del emisor 'k' (Emitter Coefficient) se debe definir en cada uno de los nodos definidos para modelar las fugas del sistema.

En la definición de los nodos con presencia de fugas y en la determinación del valor del coeficiente K es donde se presenta el mayor reto para el modelador, puesto que no es una tarea que simplemente pueda realizarse por ajuste de pruebas de ensayo y error, sino que por el contrario se requiere de una técnica competente de inteligencia artificial que basada en datos observados en campo de presión de caudal, determine los valores de los coeficientes K y la localización de las fugas.

Al respecto, debo informarles que la versión V8i de WaterGEMS incluye a través de su módulo Darwin Calibrator una metodología analítica de detección y cuantificación de fugas basada en algoritmos genéticos. Esta técnica de optimización requiere como es obvio la inclusión de datos de campo para la valoración de la correlación estadística (observado vs. simulado) y la adopción de las mejoras soluciones.

Para mayor información, los invito a visitar la siguiente página: http://www.bentley.com/en-US/Solutions/Water+and+Wastewater/Water+Loss.htm

Un saludo,

Juan Carlos Gutiérrez A., IC. MSc.
Regional Engineer - Water and Wastewater Solutions
Bentley Systems - Latin America

Diferencias entre WaterCAD y WaterGEMS

Juan Gutierrez — Fri, 15 May 2009 00:35:00 GMT

Hola Todos:

He recibido frecuentemente la pregunta por parte de usuarios del software Haestad de Bentley acerca de las diferencias significativas entre WaterCAD y WaterGEMS.

WaterCAD es quizás el producto como marca registrada más popular del software Bentley de Modelación Hidráulica de Sistemas o Redes a Presión. Al igual que WaterCAD, WaterGEMS ofrece todas las herramientas de análisis hidráulico en régimen permanente de Redes a Presión como son el análisis en periodo estático (Steady State), Periodo Extendido (EPS), Análisis de Flujo de Incendio (Fire Flow Analysis) y Análisis de Calidad (Water Quality).

En términos de tareas básicas e intermedias de Modelación Hidráulica, WaterCAD y WaterGEMS son productos completamente similares (de hecho comparten el mismo motor de cálculo hidráulico).
Adicionalmente en las últimas versiones de WaterCAD y WaterGEMS se han agregado nuevas funcionalidades como el Análisis de Criticidad de Sistemas (Criticality Analysis) basado en la operación de válvulas de aislamiento; y el análisis de vaciado unidireccional de sistemas (Flushing Analysis). Así mismo herramientas de integración con fuentes externas de datos como ModelBuilder (Construcción de Modelos) y LoadBuilder (Carga de Demanda basado en Operaciones de Análisis Espacial).

Por otra parte, WaterCAD como WaterGEMS comparten una misma estructura de modelo de datos, por tanto un modelo creado en WaterCAD puede ser leído en WaterGEMS y viceversa.
Mientras WaterCAD, soporta una plataforma Autónoma (Stand Alone) así como MicroStation y AutocAD (como adición al producto). WaterGEMS es la única herramienta de modelación del mercado capaz ofrecer soporte para 4 plataformas como AutoCAD, ArcGIS y MicroStation, adicional a una plataforma Stand Alone con toda la funcionalidad.

Un gran equipo de desarrollo le permite a Bentley ofrecer soporte en todos sus productos una vez nuevas versiones de AutoCAD, MicroStation, ArcGIS e inclusive Windows salgan al mercado. No todas las empresas cuentan con un equipo de desarrollo tan amplio que pueda responder al lanzamiento de nuevas versiones.
La línea Haestad de Bentley ofrece a sus usuarios la posibilidad de manejar un único set de datos, sin importar la interfaz que se utilice. Adicionalmente la transición de manejo entre una interfaz y otra es bastante fácil de acoger.

En WaterGEMS si un usuario hace cambios en un modelo hidráulico bajo ArcGIS o AutoCAD, estos cambios se vean también actualizados bajo el modelo Stand Alone.
Específicamente sobre la integración de WaterGEMS V8 con ArcGIS 9.x esta es totalmente transparente. Cuando abras ArcMap dentro de la interfaz observarás que se agregan a lo ya existente una línea de Menús y nuevas barras de herramienta propias de WaterGEMS, de esta manera dentro de ArcMap tendrás TODA la funcionalidad hidráulica que ofrece WaterGEMS.

Cuando abres o guardas un proyecto de modelación hidráulica en ArcMap, tendrás una geobase de datos propia de ArcGIS la cual estará conectada al archivo o modelo de datos (.MDB) que usa WaterGEMS. De esta manera, podrás tener en una única vista los elementos hidráulicos y acceso a sus resultados hidráulicos mientras puedes trabajar con elementos propios del GIS.

Adicional a la integración con ArcGIS que es una de las grandes diferencias de WaterGEMS con WaterCAD; WaterGEMS tiene incluidos los siguientes módulos que solo pueden adquirirse separadamente como adiciones en WaterCAD:
- Darwin Calibrator: Calibración Hidráulica usando Algoritmos Genéticos
- Darwin Designer: Diseño Optimizado de Sistemas usando Algoritmos Genéticos
- Skelebrator: Procesos inteligentes de simplificación (esqueletización) de Redes

Espero haber aclarado en profundidad las diferencias entre WaterCAD y WaterGEMS. Atentamente,

Juan Carlos Gutiérrez A., IC. MSc.
Especialista Soluciones de Modelación Hidráulica
Bentley Systems - Latin America

Consulta: Donde puedo descargar los Manuales de WaterCAD y SewerCAD?

Juan Gutierrez — Tue, 03 Jun 2008 21:09:00 GMT

Los manuales completos (en inglés) de todos los productos de la línea Haestad de Bentley (incluidos productos como WaterCAD, WaterGEMS, Hammer, SewerCAD, SewerGEMS, StormCAD, etc.) los pueden descargar desde la siguiente dirección Web: http://docs.bentley.com/

Una vez en dicha dirección, en la página introductoria se debe hacer clic en el link llamado "Geospatial" bajo la sección "Market-Specific Product Lines", que los llevará a una lista de productos en donde se encuentran incluidos los distintos productos Haestad para modelación hidráulica.

Haga click en el Software de su interés (p.ej: Bentley WaterGEMS o Bentley WaterCAD) y podrá acceder a una página donde podrá descargar o bien el archivo de Ayuda o el manual de usuario (User's Guide) en formato PDF. Para algunos productos, podrá encontrar el manual de usuario para diferentes versiones de producto.

Nota: La descarga del PDF con el manual se encuentra bajo el hipervínculo Download, bajo el título User's Guide.

Atentamente,

Ing. Juan Carlos Gutiérrez Araújo.

Consulta: Cual es la diferencia en forma y funcionamiento entre WaterCAD/Stand-Alone y WaterCAD para MicroStation o AutoCAD?

Juan Gutierrez — Sat, 31 May 2008 04:26:00 GMT

Hola Todos,

Esta es una de las consultas más frecuentes que realizan nuestros clientes al momento de decidirse a comprar nuestros productos de modelación hidráulica.

Las diferencia entre la versión WaterCAD/Stand Alone y las versiones de WaterCAD para MicroStation o AutoCAD radica solamente en la Interfaz de Usuario. La versión WaterCAD Stand-Alone posee una interfaz similar a la de una herramienta CAD en términos de área escalada y herramientas de dibujo de la Red. Desde esta interfaz es posible usar múltiples archivos de CAD (DXF) como fondos de dibujo, lo que es útil para tener las referencias viales, predios, etc de una ciudad. De otra parte, la versión Stand Alone a través de la herramienta ModelBuilder tiene un asistente para convertir líneas y poli-líneas de un archivo CAD cualquiera en tuberías y construir rápidamente una red a partir de un archivo existente.

Las interfases de WaterCAD en sus modalidades Stand Alone, MicroStation o AutoCAD tiene las mismas capacidades de cálculo hidráulico. La gran diferencia es que el programa se integra completamente en la interfaz de usuario de MicroStation (soporte versión V8i) o AutoCAD (soporte versión 2010) que el PC tenga instalada y hará uso de las herramientas y facilidades de dibujo y ploteo de estos productos CAD. Es decir cuando se abra el software se abrirá MicroStation o AutoCAD, y estarán disponibles junto con las herramientas estándar unos nuevos menús y barras de herramientas que representan toda la funcionalidad de modelación de WaterCAD.

La interfaz WaterCAD para MicroStation, se incluye sin costo adicional en las versiones WaterCAD/Stand Alone o WaterCAD/AutoCAD. La versión WaterCAD para AutoCAD tiene un valor mayor y cuando se adquiere el software en esta modalidad, las interfases Stand-Alone y MicroStation estarán también disponibles en el PC del usuario. Claramente esta última opción requiere que el usuario tenga también una licencia comercial de AutoCAD.

Atentamente,

Juan Carlos Gutiérrez Araújo.

Bienvenidos a Locos por la Modelacion Hidraulica!

Juan Gutierrez — Fri, 30 May 2008 22:42:00 GMT

Hola Todos,

Mi nombre es Juan Carlos Gutiérrez, especialista Bentley en su línea de productos de Modelación Hidráulica de Sistemas de Acueducto y Alcantarillado para Latinoamérica.

Este Blog como su nombre lo indica tendrá por objeto discutir temas relacionados con conceptos teóricos de hidráulica, regulaciones locales e internacionales, manejo de software de modelación, calibración hidráulica, casos de éxito, nuevas metodologías para la gestión de fugas, y en general todos aquellos temas que tengan que ver con el apasionante mundo de la modelación hidráulica.

En mi experiencia los últimos 5 años dictando cursos de entrenamiento y dando soporte técnico a usuarios latinoaméricanos del Software Haestad de Bentley para Modelación Hidráulica; he podido ser testigo del conocimiento y profesionalismo de nuestros especialistas en temas de modelación hidráulica y las experiencias de éxito en nuestro continente en proyectos de Gestión y Uso Eficiente del Agua. No obstante, puedo asegurar que en muchas ocasiones estos conocimientos y casos de éxito no ha sido adecuadamente difundidos para que puedan ser valorados/aprovechados por profesionales del sector en otros paises a nivel hispanoamérica.

El objeto de este Blog será entonces permitir a Ingenieros Civiles, Sanitarios, Hidráulicos, Ambientales, Especialistas GIS y profesionales de otras áreas que compartan sus experiencias y conocimientos, y expongan sus inquietudes.

La polémica y la discusión sobre puntos de vista particulares será bienvenida siempre y cuando se de dentro de una marco de respeto. Como Moderador del Blog, estaré semanalmente publicando un tema que espero sea de interés para los modeladores hidráulicos que regularmente consulten este espacio.

Bienvenidos!!

Ing. Juan Carlos Gutiérrez, M.Sc.

Locos por la Modelación Hidráulica

Lanzamiento Nueva Versión V8i SS3 para WaterCAD, WaterGEMS y HAMMER

Es el Agua el Nuevo Petróleo? – Una Visión Global desde la Problemática de la Gestión de los Sistemas de Distribución

HISTORIA DE LOS METODOS DE ANALISIS y MODELOS COMPUTACIONALES PARA ANÁLISIS DE REDES DE DISTRIBUCIÓN A PRESIÓN

Explicación de la Propiedad GIS-ID (para versiones V8i)

Juan Carlos Gutiérrez A., IC. MSc. Ing. Especialista Soluciones de Modelación Hidráulica Bentley Systems - Latin America

Lanzamiento de Nueva Versión V8i SS1 para WaterCAD y WaterGEMS

Sintesis de diferencias entre Bentley WaterCAD/GEMS V8i y EPANET

Las 10 Preguntas más frecuentes sobre Bentley HAMMER

Puedo abrir modelos WaterGEMS/CAD V8i en HAMMER?

En qué metodología está basado el motor de cálculo de HAMMER?

Qué tipo de demandas deben incluirse en los nodos de consumo como condiciones iniciales para la simulación de un transiente hidráulico?

Los quiebres (bends) definidos en las tuberías son considerados en los cálculos de fuerzas vectoriales?

Cuándo creo un Perfil bajo el menú View > Profile, parece que esta gráfica solo me muestra el perfil de la tubería y la línea piezométrica inicial. Donde puedo ver un gráfico detallado de los resultados obtenidos durante la simulación?

Cómo se definen las condiciones de inicio de la simulación de un transiente?

Cómo puedo observar los resultados completos del análisis de transientes para cada salto de tiempo? - Parámetros como velocidad de la bomba, flujo de aire a través de una válvula ventosa, volumen de gas de un tanque hidroneumático, etc.

Cuál es el significado del siguiente mensaje de advertencia y en que se basa la desviación/divergencia que se menciona?

"WARNING: The wavespeed or length approximations deviate excessively from the entered values. Lengthen short pipes and/or subdivide longer pipes."

Cómo se puede agregar un nuevo material (por ejemplo: PEAD) en la librería de materiales?

En mi modelo estoy usando válvulas de regulación tipo FCV, PRV y PSV, pero estas parecen no estar trabajando según la configuración que he ingresado, por qué?

Diferencias entre SewerCAD y SewerGEMS

Juan Carlos Gutiérrez A., IC. MSc. Ing. Especialista Soluciones de Modelación Hidráulica Bentley Systems - Latin America

¿Cuál es la forma correcta de modelar una fuga en WaterGEMS?

Diferencias entre WaterCAD y WaterGEMS

Consulta: Donde puedo descargar los Manuales de WaterCAD y SewerCAD?

Consulta: Cual es la diferencia en forma y funcionamiento entre WaterCAD/Stand-Alone y WaterCAD para MicroStation o AutoCAD?

Bienvenidos a Locos por la Modelacion Hidraulica!

Juan Carlos Gutiérrez A., IC. MSc.
Ing. Especialista Soluciones de Modelación Hidráulica
Bentley Systems - Latin America

Juan Carlos Gutiérrez A., IC. MSc.
Ing. Especialista Soluciones de Modelación Hidráulica
Bentley Systems - Latin America