Presión insuficiente en el hidrante más desfavorable de una red de agua potable
Un fraccionamiento de 3 200 viviendas en Mérida se abastece desde un tanque elevado cuya superficie libre está en la cota 100.0 m. La red es de PVC (C = 140) con un tramo principal de 8 pulgadas y 1 200 m; en los últimos 60 m, frente a un centro comercial, la tubería se redujo a 4 pulgadas para librar un cruce. El hidrante más desfavorable está en la cota 78.0 m; el proyecto calculó 16 m de presión disponible, pero la medición en campo da 9.0 m. La norma estatal exige mínimo 15 m en la toma domiciliaria y 20 m en hidrantes. El caudal de diseño es 28 L/s; la válvula de compuerta de la derivación está abierta al 40% y el macromedidor registra un caudal 12% mayor que el de diseño. En estiaje el nivel del tanque baja 3 m adicionales.
1. Determine la causa dominante de la presión insuficiente, con cálculos, y explique por qué el proyecto obtuvo 16 m.
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Carga estática: 100.0 − 78.0 = 22.0 m. Pérdidas por Hazen-Williams, S = 10.67 Q^1.852 / (C^1.852 D^4.87), con Q = 0.028 m³/s y C = 140:
• 8 pulgadas (D = 0.203 m), 1 140 m: S ≈ 3.5 m/km → 4.0 m. • 4 pulgadas (D = 0.102 m), 60 m: S ≈ 103 m/km → 6.2 m.
Balance: 22.0 − 4.0 − 6.2 ≈ 11.8 m, y con las pérdidas menores y la válvula semiabierta se llega a los ~9.0 m medidos. El proyecto llegó a 16 m porque calculó toda la conducción en 8 pulgadas: 22.0 − 4.0 ≈ 18 m, menos menores. Los 60 m de 4 pulgadas aportan más de la mitad de la pérdida total.
Agravan el problema: el caudal real 12% superior eleva las pérdidas ~23% (1.12^1.852), la válvula al 40% añade pérdida local, y en estiaje se restan 3 m más, lo que llevaría la presión por debajo de 6 m. La velocidad en el tramo de 4 pulgadas a 28 L/s supera 3 m/s, fuera de rango operativo.
2. Proponga alternativas de solución con su efecto cuantificado y recomiende una, considerando que el presupuesto es limitado y que la norma exige 15 m en toma y 20 m en hidrante.
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Alternativas:
- Abrir la válvula al 100%: recupera del orden de 1–2 m. Necesaria, pero insuficiente por sí sola.
- Sustituir los 60 m de 4 pulgadas por 8 pulgadas: la pérdida baja de 6.2 m a ~0.2 m y se recuperan casi 6 m; la presión pasaría de 9 a ~15 m, y en estiaje a ~12 m. Es la medida de mejor relación costo-beneficio y además elimina la velocidad excesiva.
- Elevar el tanque 3 m: obra costosa y con efecto limitado; sólo se justifica si hay margen estructural.
- Sectorizar y colocar un booster en la zona alta: resuelve los 20 m del hidrante y da flexibilidad futura.
Recomendación: ejecutar 1 + 2 de inmediato, verificar con modelización (EPANET) el resultado en la toma domiciliaria y en el hidrante, y dejar el booster como segunda etapa para cumplir los 20 m del hidrante y compensar el estiaje. Antes de decidir, revisar si el 12% de caudal extra corresponde a fugas: sectorizar y medir caudal nocturno puede reducir la demanda y evitar obra innecesaria.
3. ¿Qué riesgos operativos debe atender al ejecutar el cambio y cómo verificaría el resultado?
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El cierre de la válvula y el cambio de tramo con velocidades de 3 m/s generan sobrepresiones por golpe de ariete; el PVC es sensible a ello. Operar con cierre lento, verificar la clase y presión nominal de la tubería, instalar ventosas y considerar un tanque de oscilación o válvula anticipadora si la columna es larga. Ejecutar el corte en horario de bajo consumo, con aviso a usuarios y plan de abastecimiento alterno.
Verificación: prueba hidrostática del tramo nuevo, medición de presión y caudal en el hidrante y en la toma domiciliaria más desfavorable antes y después, y comparación con el modelo. Revisar que la presión máxima en las cotas bajas no exceda la clase de la tubería (típicamente 70 m) ni genere fugas.
Adicionalmente, medir cloro residual y turbiedad al reincorporar el tramo, purgar y desinfectar conforme a la normativa, y documentar la sectorización con planos as-built para el siguiente diagnóstico.