Water proporcional meters used as a tool for integrated water management 

Guillermo Andrés Fuentes Barrera y Jhoniers Guerrero Erazo*

Grupo de Investigación en Agua y Saneamiento, Facultad de Ciencias Ambientales, Universidad Tecnológica de Pereira. La Julita, Pereira, Risaralda, Colombia. Tel 57-6-3137246 jhguerre@utp.edu.co

Abstract 

Good water management is based on the measurement of water flows at different places of the water supply system: water intake, influent and effluent of treatment plants, inlet and outlet of storage tanks, etc. This research aimed to calibrate a proportional flow meter device prototype in order to establish it as a reliable, low-cost, easily suitable for construction, and low maintenance requirement alternative for flow measurement. As a first activity, the flow rate of the device was determined (flow higher that 4.03 m³/h) but the average error was too high (estimated in 21%). After this, regression models were established in smaller flow intervals in order to determine the error for each interval range. Finally, using this information, an optimal flow (higher than 9.21 m³/h, with an error of 8.2%) was determined. The results showed that the proportional flow meter device is an accurate alternative to measure the water flow at different places of water supply systems for rural communities or small towns. It was demonstrated that construction, installation and operation costs of the device is lower in comparison with mechanical flow meters. 

Key words: Water management, water measurement, proportional water measurement, low-cost

La macromedición de agua de tipo proporcional como una herramienta para la gestión integral del recurso hídrico 

Resumen

Una adecuada gestión del agua se basa en la medición de los caudales utilizados en los diferentes lugares del sistema de abastecimiento: salida bocatoma, entrada y salida de la planta de tratamiento de agua, entrada y salida de tanques de almacenamiento, etc. La presente investigación calibró un prototipo de medición de agua de tipo proporcional de tal manera que se convierta en una alternativa tecnológica de medición confiable, de bajo costo y fácil construcción y mantenimiento. En primer lugar, se determinó el caudal de funcionamiento del prototipo (caudales mayores a 4.03 m³/h) con un promedio de error demasiado alto (estimado en 21%). Por tal razón se evaluaron intervalos de caudal más pequeños, con su respectivo modelo de regresión determinando el error en cada intervalo. A partir de esta información se determinó el caudal óptimo de funcionamiento (9.21 m³/h y un error de 8.2%). Los resultados indican que el medidor de tipo proporcional es una alternativa de medición de caudal que puede ser instalada en diferentes lugares del sistema de abastecimiento de agua de pequeñas localidades o zonas rurales, otra ventaja es el bajo costo de construcción, instalación y mantenimiento del prototipo de medición respecto a medidores de agua mecánicos.

Recibido el 27 de Octubre de 2008 En forma revisada el 1º de Junio de 2009 

Introducción

En Colombia los municipios menores (menos de 12.000 habitantes) y zonas rurales presentan altos índices de ineficiencia en la prestación del servicio aprovisionamiento de agua, reflejado en el Índice de Agua No Contabilizada (IANC) que está por encima del 51%, excediendo el valor máximo del 30% permitido por la Comisión Reguladora de Agua Potable y Saneamiento Básico (CRA), problema que se agudiza si tenemos en cuenta que en Colombia existen más de 860 municipios en esta categoría [1]. La principal causa de este problema es el poco acceso y disponibilidad a recursos tecnológicos, económicos y administrativos de las empresas prestadoras de servicios en pequeñas localidades y/o zonas rurales del país, los cuales son fundamentales para mantener un control eficiente y eficaz en los sistemas de distribución de agua. 

Teniendo en cuenta lo anterior, la macromedición de agua se convierte en una herramienta fundamental para contribuir al mejoramiento tecnológico, administrativo y económico de las empresas, entendiendo la macromedición como el conjunto de equipos, elementos y actividades que permiten obtener, analizar y divulgar datos operacionales relativos a los caudales, volúmenes, presiones y niveles de agua en los sistemas de abastecimiento [2]. Pero en la implementación de un sistema de medición se deben formular y responder las siguientes preguntas ¿Por qué medir?, ¿qué medir?, ¿cómo medir?, ¿con qué frecuencia?, ¿qué instrumentos utilizar?, ¿qué procedimiento operacional aplicar?, y ¿qué modelo de análisis utilizar? [3]. Respondiendo algunas de estas preguntas la presente investigación tiene como objetivo el desarrollo y calibración de un medidor de agua de tipo proporcional que forma parte de los medidores deprimógenos denominados así porque “presentan una reducción gradual o brusca de la sección de flujo en movimiento, ocasionando con esto un aumento de la velocidad y disminución de la presión en el fluido” [4], convirtiendo este tipo de medidores en una alternativa tecnológica confiable y competitiva frente a otros sistemas de medición y que pueda ser implementada en lo municipios menores y/o en las zonas rurales de Colombia, colaborando con el control operacional de los sistemas de suministro de agua. 

Con la calibración y estandarización de este tipo de tecnologías se contribuye al manejo integral del recurso hídrico, a través de la gestión de las pérdidas de agua mediante el monitoreo de los volúmenes de agua utilizados en los diferentes componentes del sistema de aprovisionamiento de agua (captación, tratamiento, almacenamiento y redes de distribución). Los instrumentos más utilizados para la medición de caudal en los sistemas de abastecimiento son los contadores de velocidad y volumétricos. Los principales problemas asociados a estos medidores de agua son: el costo del instrumento de medición, la complejidad en la instalación y reparación del equipo in situ y el incorrecto dimensionamiento del medidor a instalar, que puede incrementar el deterioro de las partes internas cuando hay caudales excesivamente altos y/o el subdimensionamiento del volumen de agua por bajos caudales [5]. 

Desarrollo Experimental 

Banco de pruebas 

En esta etapa se realizó el diseño y construcción del banco de pruebas utilizado para el desarrollo y calibración del prototipo de macromedición (Figura 1). Este consta de un tanque de un metro cúbico (A) el cual está conectado a una bomba con diferencial y un variador de velocidad (B), que permite controlar el caudal y la presión de agua a suministrar en la tubería que se conecta a ella y en la cual se encuentra el prototipo de medición de caudal (C). La verificación del caudal circulante por la tubería se efectuó con la instalación de un medidor ultrasónico portátil (D) en la tubería principal, marca DYNASONICS, el cual tiene una incertidumbre en la medición de ± 0.5%, de acuerdo al certificado de calibración C6 – 012830 y calibrado según la norma ISO DAS-206-003. Además el banco de pruebas tiene un sistema de recirculación de agua para mantener el caudal y la presión constantes.

Para el diseño del medidor de caudal de tipo proporcional se modificó el esquema encontrado en el documento D2 de macromedición del Programa Nacional de Combate en el Desperdicio de agua del Brasil [3]. El prototipo de medición consiste en una tubería de ½ pulgada que sale por un lado y entra por el lado opuesto de una tubería de 4 pulgadas. En la tubería de ½ pulgada se instaló una válvula de cierre y dos checks para garantizar la dirección del flujo en un solo sentido, de igual manera se instaló un medidor de velocidad chorro único clase C para registrar el volumen de agua que pasa por la tubería. Todos los accesorios instalados son de ½ pulgada (Figura 2 -corte transversal). El tubo de ½ pulgada tiene 7 orificios para la entrada de agua, de los cuales 3 son de 11/32 de pulgada y 4 de 3/16 de pulgada de diámetro. Para la salida de agua el tubo de ½ pulgada tiene 4 orificios de 11/32 de pulgada de diámetro (Figura 2 -corte longitudinal). Se seleccionó un medidor de agua de velocidad tipo chorro único porque tienen una buena resistencia a la presencia de sólidos suspendidos, son pocos sensibles al perfil de velocidades entrante reduciendo los requerimientos de espacio en su instalación, es una tecnología fiable utilizada durante muchas décadas, y tienen un bajo costo en el mercado [6].

Medición y registro de la información 

En esta fase de la investigación se determinó el rango de trabajo mínimo y máximo de caudal y presión para el prototipo de medición, teniendo en cuenta factores como: caudal de arranque del prototipo, la capacidad de la bomba y el Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico (RAS 2000) [7]. Con base en lo anterior se estableció que el rango de caudal a evaluar está entre 4.03 y 18 m³/h, que respectivamente corresponden: al caudal mínimo medido en la tubería principal, a partir del cual empieza a funcionar y registrar datos el micromedidor de ½ pulgada instalado en el prototipo de medición de agua y a la capacidad máxima de caudal de la bomba. El rango de presiones a evaluar varía entre 15 y 41 metros columna de agua (mca), que corresponde a la presión mínima de servicio exigida por el RAS 2000 y la capacidad máxima de la bomba respectivamente. 

Las mediciones se realizaron durante una hora registrando datos cada 5 minutos, siguiendo el método utilizado por Espirito do Santo [8]. Antes de iniciar las mediciones se esperó a que se estabilizara el sistema durante 10 minutos. Para confirmar la presión del agua en la tubería se instalaron manómetros en el banco de pruebas, de igual forma se instaló un caudalímetro de flujo ultrasónico con el objetivo de verificar el caudal de agua que circula por la tubería.

Análisis de la información 

Como el propósito del prototipo de macromedición es registrar el volumen de agua, es importante determinar un modelo, factor y/o gráfico que relacione el volumen total de agua que pasa por la tubería de 4 pulgadas (voltotal) (variable dependiente), respecto al volumen de agua que pasa por el micromedidor (volmicro) ubicado en el prototipo de medición, con presiones y caudales de agua (variables independientes) seleccionadas aleatoriamente para conocer su comportamiento y determinar la importancia de cada una de ellas en el modelo. Teniendo en cuenta lo anterior, se seleccionó el análisis de regresión lineal múltiple como la técnica estadística a utilizar para analizar la información porque permite estudiar la relación entre una variable dependiente o criterio y una o más variables independientes o predictoras [9]. Se usó el paquete estadístico SPSS 15 para llevar a cabo el análisis de regresión lineal con el fin de desarrollar de una ecuación lineal con fines predictivos. 

Resultados y Discusión 

En primer lugar se determinó que el caudal de arranque del prototipo de medición es de 4.03 m³/h (1.12 l/s). Es decir, que a partir de este caudal el medidor de agua empieza a funcionar y a registrar datos, cuando se presenten caudales inferiores a este el medidor dejará de contabilizar el volumen de agua que esta circulando por la tubería, el caudal nominal (Qn) es de 9 m³/h y el caudal máximo (Qmax) de trabajo estudiado en el laboratorio es de 18 m³/h, correspondiendo con el caudal máximo suministrado por la bomba, pero puede trabajar en rangos superiores de caudal. Según Palau [5] este medidor de agua se definiría como un micromedidor de agua porque el Qn es menor a 15 m³/h, pero también se puede considerar un macromedidor porque este podrá ser instalado en la captación, a la entrada y salida de plantas de tratamiento de agua potable y en la entrada y salida de tanques de almacenamiento, siempre y cuando no existan caudales inferiores a 4.03 m³/h durante la operación y funcionamiento del sistema de abastecimiento de agua, ya que se dejaría de contabilizar el volumen de agua durante el periodo de tiempo que se presente este caudal. 

El tamaño de la muestra fue de 242 muestras cada una con 13 repeticiones, en total se recolectaron 3146 datos. El método utilizado para realizar la regresión lineal múltiple es el de pasos sucesivos o “stepwise”. Se seleccionó este método porque permite la construcción de la ecuación de regresión múltiple, seleccionando en primer lugar la mejor variable, es decir, la que mejor se correlacione con la variable dependiente, teniendo la ventaja de admitir que una variable seleccionada pueda ser eliminada en el análisis subsiguiente [10]. El método empleado va descartando las variables que no cumplan con los criterios estadísticos requeridos. 

En la Tabla 1 se observa el cambio en el coeficiente de determinación (R²) de cada una de las variables independientes o predictoras. En el modelo 1 se estudia únicamente la relación entre la variable independiente del volumen del micromedidor (volmicro) y la variable dependiente voltotal. El modelo tiene un R² = 0.941, y como tiene una probabilidad de p < 0.05, se rechaza la hipótesis nula de que el valor de R es cero en el modelo, indicando que la variable es relevante dentro de la ecuación de regresión. Por tanto, se puede afirmar que la variable volmicro contribuye en un 94.1% a explicar la varianza de la variable dependiente volumen total (voltotal) que corresponde al volumen total de agua que circula por la tubería principal. Posteriormente en el modelo 2 se incorpora la variable caudal, es decir, se analiza la relación entre las variables predictoras volmicro y caudal y la variable voltotal. En este modelo R² = 0.951 y como p < 0.05, se rechaza la hipótesis nula de que el valor de R es cero en el modelo, afirmando que las variables son relevantes en la ecuación de regresión y que la variable de caudal incorporada en el modelo 2 contribuye a mejorar en un 1% la explicación de la varianza en la variable dependiente voltota.

En el tercer y último modelo se analiza la relación entre las variables independientes volmicro, caudal y presión y la variable dependiente voltotal. Este modelo tiene un R² = 0.951 indicando que la variable de presión incorporada en el modelo mejora la explicación en la variación de la variable independiente en 0.001%, y como p < 0.05 se puede afirmar que el modelo contribuye de forma significativa a explicar el comportamiento de la variable dependiente. En conclusión, se puede decir que las tres variables seleccionadas (volmicro, caudal y presión) en conjunto consiguen explicar en un 95.1% la variabilidad observada en la variable dependiente (voltotal).

Teniendo en cuenta que la técnica de regresión por pasos sucesivos o stepwise seleccionó las variables de volmicro y caudal para ser incluidas en la ecuación del modelo de regresión y que este cumple con los supuestos de un modelo de regresión lineal múltiple, se decidió incluir únicamente como variable predictora volmicro porque es la que mejor explica el cambio de la variable dependiente (voltotal) con un 94.1%, ya que la inclusión de la variable caudal mejora la explicación de la variable dependiente en 1% que en total seria 95.1%, cambio que no es muy significativo, pero que en campo obligaría a medir constantemente el caudal de agua que esta pasando por la tubería principal, objeto mismo del prototipo de medición de agua. 

En la Figura 3 se presenta la dispersión de los datos entre las variables dependiente (voltotal, eje y) e independiente o predictora (volmicro, eje x), eliminando el efecto de las demás variables, observando que hay una relación lineal y positiva, entre las variables, es decir, existe correlación entre las dos variables analizadas.

En la ecuación 1 se puede apreciar que a cada valor de volmicro le corresponde un incremento constante de 886.98 unidades más 977.41 por el valor de volmicro con un nivel de confiabilidad del modelo del 95%, es decir, que ésta es la probabilidad de que el modelo contenga el valor verdadero de los datos registrados en el laboratorio. 

voltotal = 886.98 + 977.41 * volmicro    (1)

Sin embargo como este modelo se utilizará para el pronóstico de datos de volumen de agua, se debe calcular el Porcentaje de Error Medio Absoluto (PEMA) del pronóstico del modelo de regresión, que corresponde a un 21% respecto al valor real en este caso, siendo excesivamente alto comparado frente al porcentaje de error de un medidor de agua volumétrico y/o de velocidad (comerciales) que está entre ± 2 y 5% para los caudales especificados [5]. Por tal razón y para disminuir el error se decidió construir intervalos de caudales determinando un modelo de regresión y el error del pronóstico para cada intervalo. Los resultados se presentan en la Tabla 2.

Tabla 2

Modelo de regresión según intervalo de caudal 

Fuente: Elaboración propia.