Modelacion Hidraulica Redes de La Paz El Alto

Estado Plurinacional de Bolivia

Plan Maestro Metropolitano de Agua Potabley Saneamiento La Paz - El Alto, Bolivia

INFORME SOBRE DEMANDAS FUTURAS Y ESTRATEGIAS DE EXPANSION

VOLUMEN IX – ANEXOS MODELACION HIDRAULICA

La Paz, Marzo de 2013

Planes Maestros Metropolitanos de Agua Potable y Saneamiento de Cochabamba, La Paz y El Alto, Santa Cruz y el Valle Central de Tarija (Bolivia)

Informe Etapa II: Demandas futuras y estrategias de expansión

MODELACION HIDRAULICA

DEFINICIONES

El término Modelo de Red Hidráulica describe el uso de una representación matemática de un sistema real de suministro de agua. Se utilizan los modelos de redes hidráulicas para simular el comportamiento de sistemas existentes o planificados bajo una amplia gama de condiciones que en interrumpir el servicio al cliente. También ofrecen una herramienta valiosa para ser más eficiente la operación y gestión de las redes de distribución de agua.

MODELACION Y SIMULACION

El proceso de modelación comprende desde la definición del alcance del de un proyecto, pasando por la selección del software de modelación y su aprendizaje, la preparación y descripción del sistema de ingreso de datos, la obtención de los datos de entrada y la carga del modelo para obtener de esta manera el modelo inicial; paralelamente se recolectan datos de campo y se aplica la verificación de estos datos para obtener el modelo calibrado. A este modelo calibrado se desarrollan alternativas y se aplican las mismas para tener las soluciones.

Esquemáticamente se representa de la siguiente manera:

El término simulación generalmente se refiere al proceso de imitación del comportamiento de un sistema a través de las funciones de otro.

El proceso de usar representaciones matemáticas de un sistema real, es el modelo, que es un escenario virtual del manejo de redes.

La modelación de redes, que reproducen las dinámicas de un sistema existente o propuesto, se utiliza comúnmente cuando no se puede intervenir prácticamente en el sistema real, o para propósitos de evaluación en un sistema en actual construcción, y adicionalmente en situaciones de emergencia de

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calidad del agua donde un testeo directo en el sistema puede ser costoso y potencialmente peligroso poniendo en riesgo la salud pública.

Las simulaciones pueden ser usadas para predecir respuestas del sistema bajo un amplio rango de eventos y condiciones sin perturbar al sistema real, también se pueden anticipar problemas de sistemas propuestos o existentes, y las soluciones pueden ser evaluadas antes de invertir dinero, tiempo y materiales de un proyecto del mundo real.

TIPOS DE MODELACION

Las modelaciones pueden ser de dos tipos:

Modelación en ESTADO ESTATICO (Steady-State), que representa una instantánea de tiempo y es usada para determinar el comportamiento operativo de un sistema bajo condiciones estáticas.

Modelación en PERIODO EXTENDIDO (EPS), es usada para evaluar el desempeño del sistema respecto al tiempo.

Permite modelar el llenado y vaciado de tanques de almacenamiento, regulación de válvulas, y la estimación de presiones y caudales en respuesta a condiciones de variación de la demanda y estrategias de control automáticos formulados por el modelador.

PRACTICAS DE MODELACION

Es aconsejable que los modeladores ejecuten practicas continuar concernientes a:

Entrada de datos Verificación frecuente de datos. Intente simulaciones de ensayo y la validación puede mostrar la mayoría de errores de

entrada. Empleando el modelo

Planee correr y sustentar el modelo previo a obras. Analice diferentes alternativas y escenarios. Conserve los reportes y archivos de seguridad

Practicas continuas Ejecute una inversión inicial en Entrenamiento y Modelación. Conserve sus registros. Estudiar a fondo la herramienta, luego entrene a otros.

GENERALIDADES DE LOS MODELOS DE SIMULACION Y SU APLICACIÓN PRÁCTICA

Aproximación a la realidad MODELO = SOFTWARE + INFORMACION Recolección y revisión de información toma tiempo Ingreso de datos topológicos y operativos Decisión si los resultados son razonables Aplicar un buen criterio de ingeniería.

APLICACIONES DE LA MODELACION

Diseño y Planificación (Planes Maestros) Esquemas operativos (Planes Operativos)

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Análisis de uso del agua Control en tiempo real Auditoría y detección de fugas (RANC) Protección contra incendios (Manejo de Hidrantes) Modelación de calidad del agua Análisis de vulnerabilidad

CAMPOS DE INTERACCION

Modelación = Esfuerzo interdisciplinario

Administración y Gestión Operación y Control Planificación Estratégica Estudios y Proyectos División Comercial (Facturación)

CONSTRUCCION DE MODELOS

Para la construcción sistemática de modelos, se deben seguir las siguientes fases:

Fase 1: Construcción topológica

Dibujos CAD, archivos GIS y/o planos en papel Procesos manuales o automáticos (Model Builder) Determinación de tuberías a ser incluidas Identificadores para nodos y conexiones Verificación en campo Revisión de conectividad Involucrar agua operadores y dibujantes Establecer un protocolo interno para futuras construcciones del modelo

Nunca descarten la información de planos de obra.

Fase 2: Información de infraestructura

Longitudes Real – No de punto a Punto Esquemática vs A escala A escala:

Longitudes automáticamente determinadas Esquemático

Longitudes definidas por el usuario Diámetros

Diámetros nominales vs. Diámetros reales (Internos) Tubería DN 6” Clase 50; DI = 6,4” Diámetro Interno Importante para tamaños pequeños y análisis de calidad.

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Fase 3: Asignación de elevaciones

Usadas para convertir gradientes a presiones Pueden usarse elevaciones del:

Suelo, Tubería Usuario

Conservar consistencia

Si existe información topográfica de calidad, se podrán construir Modelos Digitales de Terreno fiables.

Fase 4: Estimación de demandas

Promedio diario anual actual Estudios de Uso de suelo Variaciones y picos temporales Agua no contabilizada – Perdidas Caudales de incendio Proyecciones futuras

Estimación de uso del agua

Uso del suelo Sectorización de la red Sistema comercial Lectura de medidores

Corrección por agua no contabilizada

Población de medidores Curva de error de los medidores Patrones de consumo

Distribución de áreas a nodos

Áreas censales Rutas de medición Distribución proporcional por áreas Distribución proporcional por longitudes

Asignación por estructura

Uso de agua para cada estructura Definir patrón de uso de Terreno Asignar estructuras a nodos Calcular uso de agua nodal Imágenes satelitales y fotos aéreas son útiles

Proyecciones de demanda

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Proyecciones espaciales y temporales de población Determinación de donde ocurrirá gran crecimiento Determinación de donde se ubicarán los grandes consumidores Dotaciones futuras de racionalización de uso

Caudales de incendio

Normatividad local Requerimientos de caudal Restricciones de presiones mínimas Zonas de servicio Requerimientos de duraciones

Fase 5: Simplificación o esqueletizacion

Nivel 1 – Simplificación

Rastreo y remoción de datos (Data Srubbing)

Nivel 2 – Técnicas Analíticas

Remoción y acoplamiento de segmentos en serie Recorte de ramales (Branch Trimming)

Cual es el nivel de simplificación deseado

Aplicaciones que permiten mayor simplificación:

Planes Maestros Estudios regionales de calidad de agua Estudios de consumo de energía Elaboración de curvas de sistemas

Aplicaciones que requieren más tuberías:

Diseño Análisis de calidad del agua Análisis contra incendios

Fase 6: Escenarios y Alternativas

Escenario = Una Simulación distinta para el mismo modelo Contiene tipo de Simulación Usa datos de las alternativas

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Alternativas = Grupo de Datos Construyen bloques de escenarios

Herencia = Construir alternativas y escenarios basados en existentes Add (agregar) = No se heredan datos Duplicate (duplicar) = Copia pero no conecta Child (hijo) = Conecta grupos de datos

Fase 7: Ejecución de simulaciones

Tipos de Simulación:

Estática (Steady-State) Topología Física Demanda Configuración inicial

Período extendido (EPS) Topología Física Demanda Configuración inicial Control electrónico Controles operacionales

Calidad de agua Topología Física Demanda Configuración inicial Controles lógicos Control operacional Edad Traza Constituyente

Caudal de incendio Topología Física Demanda Configuración inicial Caudal de incendio

Fase 8: Calibración

Ajustar las características del modelo hidráulico para representar de la mejor manera su comportamiento real.

Estas acciones se toman a partir de datos de estaciones de control telemétricas y de dispositivos de medición y registro (Data-Loggers).

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La modelación es un proceso iterativo y en permanente evolución, y siempre prevalecerán los criterios del modelador.

BENEFICIOS DE LA MODELACION HIDRAULICA

Los Ingenieros ganan conocimiento para manejar Infraestructura de Sistemas de Agua Potable, y utilizan este conocimiento para tomar decisiones seguras en:

Minimizar Costos de Capital de inversión, operación y mantenimiento. Maximizar Beneficio en el desempeño hidráulico e integridad del Sistema.

Y lo que hace que los modelos sean excelentes se deriva de:

1. Ambiente Multiplataforma, es decir un ambiente para la escogencia de cada usuario trabajando en Stand-Alone, AutoCAD, ArcGIS o MicroStation, dando beneficios en:

Menos duplicación de datos. Más integración.

Incrementa la curva de aprendizaje.

Incrementa el equipo comunicacional.

Usuarios de diferentes especialidades pueden colaborar.

2. Construcción del Modelo, mediante la conectividad con cualquier fuente de datos:

Dibujos CAD, topología de la red, elevación de nudos, longitudes a escala, datos físicos, etc.

Bases de Datos y hojas de cálculo con información de demandas, estrategias operacionales, datos de campo, calidad del agua, etc.

Datos Geoespaciales, topología de la red, datos de consumos de agua, elevación de nudos, diámetros, materiales, etc.

Herramientas para construcción de Modelos:

Model Builder para la creación de modelos multi-fuente

Load Builder para la asignación de demandas desde datos geoespaciales

Shapefile & database synchronus para la conexión sincronizada del modelo

TRex que permite una extracción automatizada de elevaciones

3. Manejo del Modelo, mediante edición dinámica con inteligencia hidráulica:

Engineering Libraries & Prototypes, para ingresar la información una vez, y utilizarla muchas veces.

FlexUnits, cambia las unidades al instante.

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FlexTables, para edición de datos rápida y fácilmente

Scenario Control Center, para ilimitadas alternativas “que pasa si”.

4. Análisis Hidráulico con herramientas ingenieriles para toma de decisiones del mundo real:

WaterCAD/WaterGEMS para modelación y diseño de Sistemas de Agua Potable y modelación con integración Geoespacial (GIS).

GEMS = Geographic Engineering and Modeling System.

Análisis automático de caudales de incendio

Análisis de rastreo de fuentes y edad del agua

Herramientas nativas de trazado de fácil uso

Alternativas de topología activa

Bombas de velocidad variable

Análisis de constituyentes de calidad del agua

Herramientas de revisión de dibujos

Curvas de hidrantes y cargas del Sistema

Modelo de mezcla en Tanques

Controles lógicos fundamentados en reglas

Extracción de elevaciones

Modelación de fugas y aspersores

Análisis de costos de capital y energía

Manejo comprensivo de demandas

Modelación de lavado unidireccional

Conexión sincronizada con Shapefile

Conversión automatizada de CAD al modelo

Análisis estadístico de resultados

Conexión persistente a base de datos

Trazado a Escala y Esquemático

Manejo se sub-modelos

Capas múltiples de fondos para el trazado del modelo

Integración con HAMMER para análisis de transientes

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Curvas animadas de bombas y pérdidas de carga

WaterSafe, avanzado sistema de control de calidad del agua y vulnerabilidad, para estar preparados para emergencias de contaminación.

Darwin Designer para minimizar el costo y maximizar el comportamiento hidráulico.

Hammer para diseñar estrategias de protección a costo efectivo contra golpes de ariete y transientes. Evita fallas catastróficas de tuberías y equipos, uso del Método riguroso de Características, modela cualquier evento transiente, simula cualquier dispositivo de protección contra ondas de expansión y completa integración con WaterGEMS/CAD

Prevención de daños al sistema

Desarrollo de estrategias de control de transientes a costo efectivo

Recortes de construcción y presupuestos de operación y mantenimiento

Modela cualquier dispositivo de protección de transientes

Minimiza desgastes y roturas de tuberías

Simula cualquier condición de transiente

Diseño y operación con mayor fiabilidad

Elimina costosos sobre diseños

Asegura la longevidad del sistema de agua

Prepara para fallas de energía eléctrica

Protege a los operadores del Sistema

Mejora la calidad del agua

Minimiza las interrupciones del Servicio

Skelebrator, para la Reducción y Simplificación de redes con inteligencia hidráulica

5. Interpretación de resultados, de los resultados del modelo, al conocimiento del Ingeniero mediante multi escenarios, gráficos de tiempo variable, reportes personalizados, perfiles avanzados con animación, visualización geoespacial, animación de vistas de planta con anotaciones y códigos de color.

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PROCEDIMIENTO PARA LA MODELACION DE LOS SISTEMAS DE AGUA DE LA PAZ Y EL ALTO

Se construyeron los modelos de las redes de Agua Potable de los Sistemas:

SISTEMA ACHACHICALA

SISTEMA PAMPAHASI

SISTEMA EL ALTO

SISTEMA TILATA

El procedimiento general se describe a continuación:

OBTENCION DE DOCUMENTOS Y ARCHIVOS DIGITALES

a) Cartografía Geodatabase referenciada de las ciudades de La Paz y El Alto en formato AutoCAD DWG con layers:

I. Manzanos

II. Calles, Avenidas

III. Ríos, Quebradas

IV. Parques

V. Accidentes topográficos

VI. Textos Calles, Textos Cotas

b) Imágenes Satelitales geo referenciadas

c) Información Digital Topográfica como Curvas de Nivel, Modelo Digital de Elevaciones (DEM)

d) Planos Digitales de Redes de Abastecimiento en formato AutoCAD DWG

PREPARACION DE DATOS PARA CONSTRUCCION DE MODELOS EN WATERGEMS v8I

a) Carga para cada Sistema de Abastecimiento de la Red de Agua Potable sobre la cartografía base de las ciudades de La Paz y El Alto en archivos con formato AutoCAD DWG y DXF

b) Carga de estos archivos en ARCGIS 10.0, lectura de todos los layers de información en planos de redes

c) Transformación de la información de planos a archivos de Tablas Digitales con formato SHP

CONSTRUCCION DE LOS MODELOS EN WATERGEMS v8I

a) Iniciando un proyecto Nuevo, se configura para Sistema Internacional de unidades

b) Se carga el modulo MODEL BUILDER del WaterGEMS

c) Se selecciona el tipo de archivo ESRI Shapefiles

d) Se cargan los archivos SHP generados con ARCGIS, especificando las unidades de coordenadas en metros

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e) Se inicia el procedimiento de transferencia de datos a WaterGEMS para crear TUBERIAS y NUDOS

f) El modulo MODEL BUILDER sincroniza los archivos y produce el modelo de la red en pantalla

g) Se adicionan planos base de cartografía, curvas de nivel, Modelo Digital de Elevaciones DEM

h) Se salvan los archivos del modelo de la red con formato WTG de WaterGEMS

PROCEDIMIENTO DE VERIFICACION Y DEPURACION DE LOS MODELOS

Con el modulo QUERY NETWORK REVIEWS se identifican posibles problemas con NUDOS y TUBERIAS, verificando cruces de tuberías, redes aisladas sin conexión, nudos aislados, pseudo nudos, etc. hasta que la red quede completamente depurada.

PROCEDIMIENTO DE ASIGNACION DE COTAS A LOS NUDOS

Con el modulo TREX se leen archivos de curvas de nivel en formato DXF de AutoCAD o de modelos digitales de elevaciones DEM en formato SHP de ESRI ARCGIS, y se levantan automáticamente las cotas de los NUDOS de la red

PROCEDIMIENTO DE ASIGNACION DE CAUDALES DE DEMANDA EN LOS NUDOS

Con el modulo LOAD BUILDER se calculan los caudales de demanda en los nudos de la red con las siguientes opciones:

a) Point Load Data

Por agregación de archivos de facturación

Por Nudo cercano

Por tubería cercana

b) Área Load Data

Igual distribución de caudales

Distribución proporcional por áreas

Distribución proporcional por población

Distribución proporcional por longitud de tubería

c) Population/Land use data

Proyección por uso de suelo

Estimación de demanda por población

Para los modelos generados para los sistemas de La Paz y El Alto se ha utilizado la opción de Estimacion de Demanda por Poblacion, haciendo una interaccion entre Poligonos de Thiessen que determinan el área de influencia de cada nudo, y las zonas censales del INE con datos de Densidad, Area y Poblacion.

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PROCEDIMIENTO DE ASIGNACION DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO

Se asignan los tanques de almacenamiento y distribución en los lugares específicos mediante la descripción de:

a) Coordenadas Este y Norte de ubicación

b) Elevación topográfica en m.s.n.m.

c) Elevación Base

d) Elevación Mínima

e) Elevación Inicial

f) Elevación Máxima

g) Sección del Tanque (con esto calcula la capacidad)

PROCEDIMIENTO DE ASIGNACION DE VALVULAS REDUCTORAS DE PRESION

a) Coordenadas Este y Norte de ubicación

b) Diámetro

c) Tipo de Válvula

d) Presión de salida como Gradiente Hidráulico (m.s.n.m) o como presión (mH2O)

PROCEDIMIENTO DE ASIGNACION DE COEFICIENTES DE RUGOSIDAD ACTUALES

Mediante algoritmos de calculo, se determinan los coeficientes de rugosidad C de Hazen-Williams o Ks de Prandlt-Colebrook en función a la antigüedad, diámetro, y material de la tubería; además de la calidad del agua (Índice de Langelier), dando los valores actuales p[ara una calibración mas fácil mediante el modulo DARWIN CALIBRATOR del WaterGEMS.

PROCEDIMIENTO DE LA ASIGNACION DE ZONAS DE PRESION

Con el modulo PRESSURE ZONE se delimitan las zonas de presión de la red de acuerdo a la posición de las válvulas reductoras de presión y para análisis hidráulico.

CONFIGURACION FINAL DE LOS MODELOS

Con las características físicas y geométricas de Numero de Tuberías, Numero de Nudos, Longitud de tuberías, Diámetros, Material de redes principales y redes secundarias o de relleno, Coeficientes de Rugosidad “C” de Hazen-Williams actuales, la Topología de la red, asignación de Cotas en los nudos; y las características hidráulicas de Asignación de Caudales de Demanda en los nudos, Coeficientes y Curvas de Patrones de demanda para el Procesamiento en Periodo Extendido, calibración de presiones y caudales recalculando rugosidades y/o demandas y comparando con mediciones reales en puntos clave, se obtienen finalmente los modelos hidráulicos de los sistemas de abastecimiento de La Paz y el Alto para ser utilizados como herramientas de Planificacion, Operación & Mantenimiento, Diseño y Simulacion, Gestion y Administracion.

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MODELO RED SISTEMA ACHACHICALA (ESCENARIO 2011)

El Sistema de distribución de agua potable Achachicala para el escenario al año 2011, tiene las siguientes características:

Area Total : 1.253,94 Has.

Poblacion: 214.959 hab.

Longitud Total de Tuberias: 269.302 m

Numero total de Tramos: 5.702

Numero Total de Nudos: 5.225

Parametros Basicos de Diseño:

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Sistema Achachicala dentro de la cartografia de las ciudades de La Paz y El Alto

Red y Area del Sistema Achachicala

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Detalle de tuberias por Diametros del Sistema Achachicala

Zonas Censales INE 2011 del Sistema Achachicala

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Curvas de nivel de la topografia del Sistema Achachicala

Curvas de presion o Isobaras del Sistema Achachicala Qmax 2011

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Curva de Patron de Consumos del Sistema Achachicala

Detalle de datos de las 26 Estaciones Reductoras de Presion del Sistema Achachicala

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Detalle de longitudes de tuberias por diametro y material en el Sistema Achachicala

Detalle de presiones de Entrada y Salida de la Estacion Reductora de Presion R-52

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Detalle de tramos a renovar por insuficiencia hidráulica por Perdidas de Carga escenario 2011 para Qmax

Detalle de tramos a renovar por insuficiencia hidráulica por Velocidades elevadas escenario 2011 para Qmax

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Detalle de Nudos por Presion escenario 2011 para Qmax

Detalle de Operación del Tanque de distribución Zuazo – Planta Achachicala 2011

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MODELO RED SISTEMA PAMPAHASI

El Sistema de distribución de agua potable Pampahasi para el escenario al año 2011, tiene las siguientes características:

Area Total :3.936,60 Has.




Numero Total de Nudos: 12.397


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Sistema Pampahasi dentro de la cartografia de las ciudades de La Paz y El Alto

Red y Area del Sistema Pampahasi

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Detalle de tuberias por Diametros del Sistema Pampahasi

Zonas Censales INE 2011 del Sistema Pampahasi

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Curvas de nivel de la topografia del Sistema Pampahasi

Curvas de presion o Isobaras del Sistema Pampahasi Qmax 2011

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Curva de Patron de Consumos del Sistema Pampahasi

Ejemplo de datos de las Estaciones Reductoras de Presion del Sistema Pampahasi

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Detalle de longitudes de tuberias por diametro y material en el Sistema Pampahasi

Detalle de presiones de Entrada y Salida de la Estacion Reductora de Presion R-36

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Detalle de Nudos por Presion escenario 2011 para Qmax Sistema Pampahasi

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Detalle de operación de tanques de almacenamiento Planta Pampahasi

MODELO RED SISTEMA EL ALTO

El Sistema de distribución de agua potable El Alto (Meseta y Ladera) para el escenario al año 2011, tiene las siguientes características:


Poblacion: 1.240.451 hab.

Longitud Total de Tuberias: 2.012.049 m

Número total de Tramos: 32.503

Número Total de Nudos: 29.088


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Sistema El Alto (Meseta y Ladera) dentro de la cartografia de las ciudades de La Paz y El Alto

Red y Area del Sistema El Alto (Meseta y Ladera)

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Detalle de tuberias por Diametros del Sistema El Alto (Meseta y Ladera)

Zonas Censales INE 2011 del Sistema El Alto (Meseta y Ladera)

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Curvas de nivel de la topografia del Sistema El Alto (Meseta y Ladera)

Curvas de presion o Isobaras del Sistema El Alto Meseta para Qmax 2011

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Curva de Patron de Consumos del Sistema El Alto

Detalle de datos de las 29 Estaciones Reductoras de Presion del Sistema El Alto Meseta

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Detalle de longitudes de tuberias por diametro y material en el Sistema El Alto (Meseta y Ladera)

Detalle de presiones de Entrada y Salida de la Estacion Reductora de Presion R-104 con piloto de Doble Consigna

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Detalle de Nudos por Presion escenario 2011 para Qmax Sistema El Alto Meseta

Detalle de operación de tanques de almacenamiento Planta El Alto

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MODELO RED SISTEMA TILATA

El Sistema de distribución de agua potable Tilata para el escenario al año 2011, tiene las siguientes características:





Numero Total de Nudos: 9041


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Sistema Tilata dentro de la cartografia de las ciudades de La Paz y El Alto

Red y Area del Sistema Tilata

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Detalle de tuberias por Diametros del Sistema Tilata

Zonas Censales INE 2011 del Sistema Tilata

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Curvas de nivel de la topografia del Sistema Tilata

Curvas de presion o Isobaras del Sistema Tilata Qmax 2011

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Curva de Patron de Consumos del Sistema Tilata

Detalle de datos de la unica Estacion Reductora de Presion del Sistema Tilata R-1

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Detalle de longitudes de tuberias por diametro y material en el Sistema Tilata

Detalle de presiones de Entrada y Salida de la Estacion Reductora de Presion R-1 Tilata

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Detalle de Nudos por Presion escenario 2011 para Qmax Sistema Tilata

Detalle de operación del tanque de almacenamiento Pacajes del Sistema Tilata

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Modelacion Hidraulica Redes de La Paz El Alto

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