La demanda mundial de agua ha ido aumentando y seguirá creciendo de manera significativa en los próximos años en función del aumento de la población, del desarrollo económico y los cambios en los patrones de consumo, entre otros factores. Los niveles extremadamente bajos de tratamiento de las aguas residuales en los países con ingresos medios-altos y medios-bajos, y la reducción del agua disponible muestran la imperiosa necesidad de realizar mejoras tecnológicas para contar con opciones seguras para la reutilización del agua. La composición de las aguas residuales municipales puede variar notoriamente, debido a la gran diversidad de contaminantes liberados por las distintas fuentes domésticas, industriales, comerciales e institucionales. Los hábitos de consumo de la sociedad actual generan una serie de contaminantes en el agua residual que anteriormente no eran conocidos y/o no detectados. Estos microcontaminantes (MCs) se introducen a diario en el medio ambiente en muy bajas concentraciones, principalmente a través de los efluentes de las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDARs) actuales. El constante aumento en el uso de MCs requiere tecnologías de tratamiento más eficientes para lograr su reducción o eliminación en las aguas residuales. En las grandes y medianas aglomeraciones urbanas el procedimiento más habitual para el tratamiento de los vertidos líquidos es el de lodos activados, en sus distintas modalidades, que desde sus primeras aplicaciones a principios del siglo XX se ha convertido en el tratamiento mundialmente más extendido. No obstante, con el objetivo de mejorar la calidad del efluente obtenido en este tratamiento convencional y promover su reutilización, en los últimos años se intensificaron las investigaciones de otras posibles tecnologías para el tratamiento de las aguas residuales. La tecnología MBR (Membrane Biological Reactor o Membrane Bioreactor) es conocida por producir efluentes de elevada calidad y eliminar eficazmente una amplia gama de MCs, incluidos algunos compuestos que son resistentes al proceso de lodos activados y otros procesos convencionales. Los MBR incluyen dos procesos principales: la unidad biológica, responsable de la degradación de la materia orgánica presente en el agua residual (biodegradación), y la unidad de filtración, encargada de llevar a cabo la separación sólido-líquido del licor mezcla. En el campo de tratamiento de aguas residuales, los MBR son muy valorados por sus ventajas, aunque también presentan algunos inconvenientes. A pesar de los numerosos avances tecnológicos logrados a lo largo de los años, el ensuciamiento de la membrana sigue siendo uno de los mayores desafíos en la aplicación de esta tecnología. Esta desventaja se debe a múltiples causas, principalmente derivados de las características de las membranas, de la biomasa y del afluente, así como de las condiciones de operación. Estudios recientes reportan que para incrementar la eliminación de los contaminantes más recalcitrantes se puede combinar este proceso con otras tecnologías. Así, algunos trabajos realizados en casi su totalidad con aguas sintéticas, demuestran que la integración de procesos electroquímicos (electrocoagulación, EC) con la tecnología MBR ofrece prometedoras ventajas. La electrocoagulación es una tecnología bastante conocida y utilizada desde hace muchos años principalmente en el tratamiento de aguas residuales industriales. El proceso se lleva a cabo mediante la generación in situ de coagulantes debido a la aplicación de una corriente eléctrica que provoca la oxidación electrolítica de un material anódico apropiado, comúnmente de aluminio o de hierro. En este sentido surge un sistema innovador, el Electro-Biorreactor de Membrana (EMBR) que combina las ventajas de las tecnologías MBR (tratamiento biológico y filtración de membrana) y electrocoagulación. La aplicación de la EC puede ser capaz de reducir la adhesión de sustancias en la superficie de la membrana y mejorar la eficiencia de eliminación de diversos contaminantes. Esta investigación aborda la puesta en marcha y operación de un EMBR piloto para el tratamiento de aguas residuales reales, con el objetivo general de verificar si se reduce el ensuciamiento de la membrana, en relación con un MBR sin electrocoagulación, y si se mejora de la calidad del efluente. La planta piloto EMBR se ubicó en dos depuradoras distintas, realizándose por tanto la investigación en dos etapas, primero en la EDAR de Santomera (Murcia, España) y posteriormente en la EDAR de Monte Orgegia (Alicante, España). Se verificó de esta manera el comportamiento del EMBR con distintas características del afluente y factores estacionales. En la EDAR de Santomera, la planta piloto se alimentó con un agua residual municipal que incorpora un significativo componente industrial, mientras que en la EDAR de Monte Orgegia el agua residual urbana no tiene aporte industrial. La temperatura varió entre 12 y 30°C, el pH entre 6,7 y 8,0 y la conductividad entre 1.500 y 4.000 µS/cm. En las dos etapas de la investigación se evaluó el impacto de la densidad de corriente (DC) aplicada sobre la calidad del efluente, las propiedades del lodo y el ensuciamiento de la membrana, y los resultados fueron comparados con el sistema MBR convencional. Para analizar la calidad del efluente se verificó el grado de reducción de materia orgánica (DQO), nutrientes (nitrógeno total, amonio, fósforo total) y de un total de 22 microcontaminantes (9 fármacos, 4 parabenos, 3 hormonas, 2 surfactantes, 1 plastificante, 1 producto de higiene personal y 2 pesticidas). Respecto a las propiedades del lodo, se analizaron los parámetros biocinéticos, los bioindicadores, los sólidos suspendidos (MLSS), la viscosidad, el índice volumétrico (IVF), la morfología flocular y las sustancias poliméricas extracelulares (EPS). Para la medición del ensuciamiento de la membrana se verificó la evolución de la presión transmembrana (PTM). Los resultados obtenidos en cada fase fueron contrastados mediante análisis estadístico. En relación a la mejora de calidad del efluente, los resultados demostraron que el sistema EMBR incrementó su calidad, principalmente respecto a la eliminación de fósforo, y los contaminantes carbamazepina, claritromicina y diclofenaco. En relación a la eficiencia en la reducción del ensuciamiento de la membrana, el sistema EMBR presentó un impacto positivo en las propiedades del lodo y consecuentemente en el ensuciamiento de la membrana. El índice volumétrico de fango (IVF), la viscosidad y las fracciones de proteínas y carbohidratos de las EPS solubles presentaron reducciones significativas respecto al MBR. Por su parte, se logró disminuir la PTM hasta un 73%, con una DC de 5 A/m2 lo que nos indica que con un bajo consumo energético (0,16 kWh/m3) es posible lograr una buena sinergia entre las tecnologías MBR y la electrocoagulación.

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / Plantea habilitar 1,240 lotes, de ampliación urbana para favorecer a una población de 6,613habitantes aproximadamente. La ciudad de Barranca tiene una perspectiva de desarrollo que está ligada a solucionar el desabastecimiento hídrico de la población constituyendo una acción de primer orden que va a conllevar a la mejora de niveles de vida de la población y de esta manera fijar su desarrollo socio-económico. La ciudad de Barranca en los últimos años ha incrementado notablemente su tasa de crecimiento poblacional, debido a los altos índices de migración. La Empresa de agua potable EPS SEMAPA BARRANCA SA, no abastece al 100 % de la población ya que la demanda de agua potable, supera considerablemente la oferta hídrica proveniente principalmente del tratamiento de las aguas superficiales del río Pativilca. Adicionalmente se utiliza el agua subterránea para uso doméstico e industrial. Ante esta realidad y con el incremento de las áreas urbanas en la ciudad de Barranca, el uso del agua es cada vez más limitado y conflictivo, donde la demanda de agua de la ciudad supera la oferta de las fuentes de abastecimiento. Debido a todo ello se ha puesto en marcha el Proyecto Habitacional Las Brisas de Barranca en el distrito del mismo nombre, ubicado en la margen izquierda del río Pativilca; por lo que requiere aprovechar las aguas subterráneas de la cuenca del río Pativilca y así de esta atender la demanda del proyecto habitacional, Las Brisas de Barranca, donde Los Portales ha planteado habilitar 1,240 lotes, de ampliación urbana para favorecer a una población de diseño de 6,613habitantes. / Trabajo de suficiencia profesional

[EN] The armor layer of mound breakwaters, made of large quarry-stone or precast concrete units, must withstand the forces generated by waves breaking on the slope during wave storms. This PhD focuses on the hydraulic stability of mound breakwaters armored with quarry-stones, cubes and the new armor unit, Cubipod. The Heterogeneous Packing (HeP) is identified as a new essential failure mode of breakwater armors. When the armor erosion is being studied, HeP should be considered together with the armor unit extraction and sliding as a whole. The Virtual Net method was established to measure the dimensionless armor damage; this method takes into account the three failure modes. In order to solve the face-to-face coupling between units undergone by cube armors, a new concrete armor unit, Cubipod, is described in this PhD. This new armor unit has a basic cubic or parallelepiped shape, characterized by one or more protrusions on its faces, and these features solve the face-to-face fitting problems. Cubipod armors show higher hydraulic stability than cube armors, but maintain their advantages, such as the high structural strength and the easy production, stacking and placing in prototypes. Likewise, a new concrete armor unit classification is developed in terms of their structural strength and number of layers. This new classification introduces the concept of oriented and specific placement in addition to the random and uniform placement, commonly considered. This study shows the two-dimensional hydraulic stability tests carried out with three types of armor units: double-layer quarry-stones, double-layer cubes and single- and double-layer Cubipods. The models were tested under non-breaking and non-overtopping conditions; regular and irregular wave trains, with increasing wave height with a constant Iribarren number, were generated from no damage to Initiation of Destruction. The test results were used to calibrate and validate the wave-to-wave exponential model to estimate armor damage progression on double-layer quarry-stone and cube mound breakwaters, and this model is applicable to stationary and non-stationary wave conditions. Moreover, a comparison of the stability of cube and Cubipod armors completes the analysis. The hydraulic stability was higher for double-layer Cubipod armor than for single-layer Cubipod armor, which had a higher hydraulic stability than conventional double-layer cube armor. / [ES] El manto principal de los diques en talud, constituido por escollera de gran tamaño o elementos prefabricados de hormigón, es la parte del dique que debe resistir las acciones generadas por las olas rompiendo sobre el talud durante los grandes temporales. Esta tesis doctoral se centra en el estudio de la estabilidad hidráulica del manto principal de los diques en talud protegidos con escolleras, cubos y Cubípodos, un nuevo elemento de escollera artificial. La compactación heterogénea del manto se identifica como un nuevo modo de fallo fundamental del manto principal de los diques en talud. Este nuevo mecanismo se debe considerar junto con la extracción y deslizamiento de piezas cuando se estudia la erosión del manto principal. Por ello, se establece el método de la Malla Virtual para obtener el daño adimensional del manto, el cual considera conjuntamente todos los modos de fallo. Para dar respuesta al problema del adoquinamiento en mantos bicapa de bloques cúbicos, la tesis define un nuevo elemento de escollera artificial, el Cubípodo. Esta nueva pieza de forma básica cúbica o paralelepipédica con una o varias protuberancias en sus caras permite resolver los problemas de adoquinamiento y baja estabilidad hidráulica del cubo, pero manteniendo sus ventajas, como la elevada resistencia estructural y la facilidad de fabricación, acopio y colocación en obra. Así mismo, se presenta una nueva clasificación de las piezas especiales de hormigón utilizadas en mantos de diques respecto de su resistencia estructural y número de capas. Esta nueva clasificación introduce el concepto de colocación orientada y específica, además de la colocación aleatoria y uniforme comúnmente consideradas. El cuerpo central de la tesis presenta los ensayos bidimensionales de estabilidad hidráulica realizados con tres tipos de elementos: escolleras bicapa, cubos bicapa y Cubípodos monocapa y bicapa. Los modelos se han ensayado sin limitación de fondo, sin rebase y manteniendo constante el número de Iribarren, aumentando la altura de ola progresivamente hasta alcanzar el Inicio de Destrucción del manto. Los resultados obtenidos permiten establecer, calibrar y validar un modelo exponencial de progresión de daños válido en condiciones estacionarias y no estacionarias para mantos de escolleras y cubos bicapa. Además, se completa el análisis comparando la estabilidad de mantos de cubos y Cubípodos. La estabilidad hidráulica es mucho mayor en el caso de mantos bicapa de Cubípodos que monocapa, los cuales tienen a su vez mayor estabilidad hidráulica que los mantos convencionales de cubos bicapa. / [CA] El mantell principal dels dics en talús, constituït per escullera de grans dimensions o elements prefabricats de formigó, és la part del dic que ha de resistir les accions generades per les ones trencant sobre el talús durant els grans temporals. Esta tesi doctoral se centra en l'estudi de l'estabilitat hidràulica del mantell principal dels dics en talús protegits amb esculleres, cubs i Cubípodes, un nou element d'escullera artificial. La Compactació Heterogènia del mantell s'identifica com una nova manera de fallada fonamental del mantell principal de dics en talús. Este nou mecanisme s'ha de considerar juntament amb l'extracció i lliscament de peces quan s'estudia l'erosió del mantell principal. Per això, s'estableix el mètode de la Malla Virtual per obtenir el dany adimensional del mantell, el qual considera conjuntament totes les formes de fallada. Per donar resposta al problema de l'adoquinat en mantells bicapa de blocs cúbics, la tesi defineix un nou element d'escullera artificial, el Cubípode. Esta nova peça de forma bàsica cúbica o paral·lelepipèdica amb una o diverses protuberàncies en les seves cares permet resoldre els problemes de l'adoquinat i baixa estabilitat hidràulica del cub, però mantenint els seus avantatges, com l'elevada resistència estructural i la facilitat de fabricació, apilament i col·locació en obra. Així mateix, es presenta una nova classificació de les peces especials de formigó utilitzades en mantells de dics respecte de la seva resistència estructural i nombre de capes. Esta nova classificació introdueix el concepte de col·locació orientada i específica, a més de la col·locació aleatòria i uniforme comunament considerada. La part central de la tesi presenta els assajos bidimensionals d'estabilitat hidràulica realitzats amb tres tipus d'elements: esculleres bicapa, cubs bicapa i Cubípodes monocapa i bicapa. Els models s'han assajat sense limitació de fons, sense ultrapassament i mantenint constant el nombre d'Iribarren, augmentant l'alçada d'ona progressivament fins a aconseguir l'Inici de Destrucció del mantell. Els resultats obtinguts permeten establir, calibrar i validar un model exponencial de progressió de danys vàlid en condicions estacionàries y no estacionàries, per a mantells d'esculleres i cubs bicapa. A més, es completa l'anàlisi comparant l'estabilitat de cubs i Cubípodes. L'estabilitat hidràulica és molt major en el cas de mantells bicapa de Cubípodes que monocapa, els quals tenen a més major estabilitat hidràulica que els mantells convencionals de cubs bicapa. / Gómez Martín, ME. (2015). Análisis de la evolución de averías en el manto principal de diques en talud formado por escolleras, cubos y Cubípodos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59231 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

The partition of Water Supply Networks (WSNs) into sectors can be considered as a management strategy that entails its subdivision into homogeneous subgroups. This subdivision aims to enhance the management in each sub-area (sector) carried out by permanently monitoring the inlet flows of each sector This thesis presents a series of innovative sectorization methodologies where the sectors are previously defined by means of social networks community detection algorithms. In a second step, the arrangement boundary valves/sector entrance is optimized based upon optimization heuristic techniques. Such techniques include the benefits of sectorization in terms of both, leakage reduction, as a result of reducing pressure, and increasing the capacity to detect new leakage events. To tackle the later, the Monte Carlo technique is used to simulate the occurrence of new leakage events. WSNs subdivision strategies, must take into account their network topology. In networks dependent on a main conduction network, also called trunk network, any sectorization strategy should avoid closure of its pipes in order to preserve the reliability of the system. The herein proposed trunk network identification method, is based on the concept of Shortest Path from the graph theory, in combination with an analysis of the flows (and their directions) circulating through the network in the pick-demand scenario. As a result, the pipes are graded, and the range of pipes belonging to the trunk network can be selected. Once the trunk network is identified, it is isolated from the distribution network and sectors are defined on the later, based on three social network based community detection algorithms, namely: Hierarchical Clustering, Multilevel Detection Algorithm or Louvaine Method and Random Walk community detection. After defining the area corresponding to each sector, the arrangement entrance / boundary valves must be established. To this end, heuristic-based optimization algorithms (Genetic Algorithms, Particle Swarm Optimization and Agent Swarm Optimization) are implemented. The first procedure not only takes into account the benefit of sectorization in terms of reduction of flows associated with background leakage as a result of reducing pressure, but also considers other effects of great relevance. This leads to a more realistic cost-benefit analysis than the one that could be carried out if only the reduction of background leakage flows was considered. In the second method, multilevel optimization is implemented to optimize the arrangement of boundary valves / sector entrance, in the first level, and to determine the set point of pressure reducing valves located at the entrance of each sector, in the second level. In the third optimization method, only the boundary valves/sector entrance arrangement is optimized based on an economic analysis that does not take into account the effect on the occurrence of new leakages. For the application of the proposed methodologies, it is mandatory to count on an appropriately calibrated hydraulic model. Thus, a WSN calibration method which considers emitter coefficients at the nodes was developed. For exemplification purposes, the proposed methodologies are implemented on a section of the WSN of Managua city, capital of Nicaragua. As a result of the implementation, a net profit of 104,764 $ (American dollars)/year is reported. / La sectorización de las Redes de Abastecimiento de Agua Potable (RDAPs) se puede considerar como una estrategia de gestión que implica su subdivisión en subgrupos homogéneos a fin poder gestionar de mejor manera cada sub-área (sector) mediante el monitoreo permanente de los caudales que ingresan a cada sector. En esta tesis se plantea una serie de metodologías de sectorización innovadoras en que primero se definen los sectores basados en algoritmos de detección de comunidades en grafos de redes sociales. En un segundo paso, se optimiza el conjunto de entradas y válvulas de cierre (CEVC) de cada sector utilizando técnicas heurísticas de optimización. En dicha optimización se incluyen los beneficios de la sectorización en términos de reducción de fugas producto de la reducción de presión y de la capacidad aumentada para detectar nuevos eventos de fugas. Para el abordaje del segundo aspecto se hace uso de la técnica de Monte Carlo para representar eventos de fugas en cada sector basados en una distribución de probabilidades dada. Las estrategias empleadas para subdividir RDAPs deben tener en cuenta la topología de las mismas. En redes dependientes de una red de conducción principal, cualquier estrategia de sectorización que se plantee deberá evitar cierres en la misma, a fin de preservar la fiabilidad del sistema. Es por esta razón que dentro de las metodologías que se plantean en este trabajo, se lleva a cabo un proceso de identificación y segregación de la red de conducción principal. El método de identificación de la red troncal propuesto en este trabajo se basa en el concepto de Caminos más Cortos, propio de la teoría de grafos, en combinación con un análisis de los caudales (y direcciones de los mismos) que circulan por la red en el escenario de mayor demanda. Como resultado, se obtiene un ranking de tuberías, a partir del cual se puede seleccionar el alcance de la red de conducción principal. Una vez identificada la red troncal, la misma se aísla de la red distribución y, sobre esta última, se definen los sectores utilizando tres algoritmos de detección de comunidades en redes sociales: Clústering Jerárquico, Algoritmo de Detección Multinivel y Detección de Comunidades a través de Caminos Aleatorios. Tras definir el área que corresponde a cada sector, se debe establecer el conjunto de válvulas cerradas y el punto de abastecimiento del sector. Para tal fin, se implementan procedimientos de optimización basados en los algoritmos de optimización heurística: Algoritmos Genéticos (Genetic Algorithms), Optimización de Enjambres de Partículas (Particle Swarm Optimization) y Optimización de Enjambres de Agentes (Agent Swarm Optimization). En el primer procedimiento, no sólo se toma en cuenta el beneficio de la sectorización en términos de reducción de caudales asociados a fugas de fondo, como consecuencia de reducir la presión, sino que también se tienen en cuenta otros efectos de gran relevancia. Esto permite que el análisis coste/beneficio de la sectorización sea más realista que el que se podría realizar si sólo se tuviera en cuenta la reducción de caudales de fugas de fondo. En el segundo método se emplea optimización multinivel para, además de optimizar el conjunto de válvulas cerradas/entrada de sectores, determinar el punto de ajuste de válvulas reductoras de presión en la entrada de los sectores. En el tercer método de optimización sólo se optimiza el CEVC mediante un análisis económico que no tiene en cuenta el efecto sobre la aparición de nuevas fugas. Para la aplicación de las metodologías propuestas es importante contar con un modelo hidráulico correctamente calibrado. Para ello, se desarrolló un método de calibración de RDAPs que tiene en cuenta los coeficientes de emisor en los nodos. Las metodologías propuestas se implementan sobre una sección de la RDAP de la ciudad de Managua, Nicaragua. Como resultado de la impleme / La sectorització de les Xarxes d'Abastament d'Aigua Potable (XAAPs) es pot considerar com una estratègia de gestió que implica la seva subdivisió en subgrups homogenis. Aquesta subdivisió té com a finalitat poder gestionar de millor manera en cada subàrea (sector) aspectes com ara: fuites, reparacions, aspectes de qualitat, entre d'altres, mitjançant el monitoratge permanent dels cabals que ingressen a cada sector. En aquesta tesi es planteja una sèrie de metodologies de sectorització innovadores en que primer es defineixen els sectors basats en algoritmes de detecció de comunitats en grafs de xarxes socials. En un segon pas, s'optimitza el conjunt d'entrades i vàlvules de tancament (CEVT) de cada sector utilitzant tècniques heurístiques d'optimització. En aquesta optimització s'inclouen els beneficis de la sectorització en termes de reducció de fuites producte de la reducció de pressió i de la capacitat augmentada per detectar nous esdeveniments de fuites. Per l'abordatge del segon aspecte es fa ús de la tècnica de Monte Carlo per representar esdeveniments de fuites en cada sector basats en una distribució de probabilitats donada. Les estratègies emprades per subdividir XAAPs han de tenir en compte la topologia de les mateixes. En xarxa depenent d'una xarxa de conducció principal o xarxa troncal (d'aquest punt en endavant els termes són intercanviables), qualsevol estratègia de sectorització que es plantegi d'evitar tancaments en la mateixa, a fi de preservar la fiabilitat del sistema. El mètode d'identificació de la xarxa troncal proposat en aquest treball es basa en el concepte de camins més curts, propi de la teoria de grafs, en combinació amb una anàlisi dels cabals (i direccions dels mateixos) que circulen per la xarxa en l'escenari de major demanda. Com a resultat, s'obté un rànquing de canonades, a partir del qual es pot seleccionar l'abast de la xarxa de conducció principal. Una vegada identificada la xarxa troncal, la mateixa s'aïlla de la xarxa de distribució i, a aquesta última, es defineixen els sectors utilitzant tres algoritmes de detecció de comunitats en xarxes socials: Clustering jeràrquic, Algorisme de Detecció Multinivell o Mètode Louvain i Detecció de Comunitats a través de Camins Aleatoris. Després de definir l'àrea que correspon a cada sector, s'ha d'establir el conjunt de vàlvules tancades i el punt d'abastament del sector. Per a tal fi, s'implementen procediments d'optimització basats en els algoritmes d'optimització heurística: Algorismes Genètics (Genetic Algorithms), Optimització de Eixams de Partícules (Particle Swarm Optimization) i Optimització de Eixams d'Agents (Agent Swarm Optimization). En el primer procediment, no només es té en compte el benefici de la sectorització en termes de reducció de cabals associats a fuites de fons, com a conseqüència de reduir la pressió, sinó que també es tenen en compte altres efectes de gran rellevància. Això permet que l'anàlisi cost / benefici de la sectorització sigui més realista que el que es podria fer si només es tingués en compte la reducció de cabals de fuites de fons. En el segon mètode s'empra optimització multinivell per, a més d'optimitzar el conjunt de vàlvules tancades / entrada de sectors, determinar el punt d'ajust de vàlvules reductores de pressió a l'entrada dels sectors. En el tercer mètode d'optimització només s'optimitza el CEVT mitjançant una anàlisi econòmica que no té en compte l'efecte sobre l'aparició de noves fuites. Per a l'aplicació de les metodologies proposades és important comptar amb un model hidràulic correctament calibrat. Per a això, es va desenvolupar un mètode de calibratge de XAAPs que té en compte els coeficients d'emissor en els nodes. Per a fins d'exemplificació, les metodologies proposades s'implementen sobre una secció de la XAAP de la ciutat de Managua, Nicaragua. Com a resultat de la implementació es reporta / Campbell Gonzalez, E. (2017). Sectorización de redes de abastecimiento de agua potable basada en detección de comunidades en redes sociales y optimización heurística [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86206 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

El caudal ecológico es un término que surgió como una solución a la posible pérdida del recurso hídrico debido a su explotación desmedida por la sociedad. En la actualidad, este concepto ha evolucionado hasta considerarse una herramienta para mitigar los impactos ecológicos que ocasionan la alteración de los regímenes naturales de los cuerpos de agua. Por ello, se pretende que todos los ríos posean la cantidad y calidad de agua necesaria para preservar a los sistemas acuáticos dependientes. En el Perú, la cuenca del río Chancay – Lambayeque es considerada una de las más importantes debido a su alto caudal, que permite almacenar sus aguas en el reservorio Tinajones para luego derivarlas a diversos poblados, como son Chiclayo y Lambayeque, para uso poblacional y de regadío (Pact Perú, 2013). Estas actividades son una fuente económica de altos ingresos para el país; sin embargo, la variación de las características hidrológicas del río entre la bocatoma y la sección de restitución del caudal, generan efectos negativos en los ecosistemas marinos, los cuales amenazan el desarrollo de especies. / The ecological flow is a term that emerged as a solution to the possible loss of water resources due to its excessive exploitation by society. Nowadays, this concept has evolved until it got considered as a tool to mitigate ecological impacts, caused by the alterations of water bodies’ natural regimes. In Perú, the basin of the river Chancay-Lambayeque is considered to be one of the most important of the country because of its high flow, which allows it to store its water in the Tinajones reservoir and then divert them to various towns, such as Chiclayo and Lambayeque, for population and irrigation use (Pact Perú, 2013). These activities are a high-income economic source; however, the variation of the hydrological characteristics of the river between the intake and the flow restitution sections, generate negative effects on marine ecosystems which threaten the development of species.

El término de caudal ecológico nació ante la posibilidad de la pérdida del recurso hídrico debido a la explotación del mismo. En la actualidad, la evolución de este concepto lo ha llevado a considerarse una medida de mitigación de proyectos hidráulicos que generan impactos ecológicos como la alteración en el régimen natural de un río. De esta manera, se busca que todo cuerpo de agua posea la cantidad y calidad de agua necesaria para la conservación de los sistemas acuáticos dependientes. En nuestro país, la cuenca del río Chancay-Lambayeque es una de las más importantes, ya que gran parte de sus aguas son transportadas al reservorio Tinajones y derivadas para el uso poblacional, principalmente de Chiclayo y Lambayeque, y de regadío para los agricultores (Pact Perú, 2013). A pesar de que estas actividades generan un ingreso económico elevado, las variaciones del caudal entre la captación del agua y la restitución de la misma afectan al ecosistema acuático, poniendo en peligro su supervivencia. De esta manera, se busca evaluar el caudal ecológico necesario en el río en mención mediante diversas metodologías y determinar la más precisa.

El estudio consiste en desarrollar todas las consideraciones hidrológicas e hidráulicas necesarias para proyectar una pequeña presa (h < 15 m.) de materiales sueltos (exceptuando solo laminación de avenidas, rotura de presa y obras conexas), situada en el distrito de Vilcanchos, Ayacucho. La tesis se enfoca en cabeceras de cuenca altoandinas, donde la calibración mediante información hidrométrica no es posible, y se tiene que tener especial precisión en la elección y cálculo del modelo de transformación elegido. En el primer capítulo se define el marco en el que se desarrolla la tesis, haciendo especial énfasis en las limitaciones actuales de la ingeniería hidrológica y el contexto de las pequeñas presas altoandinas en el país. En el segundo capítulo se procede a exponer las bases teóricas sobre las que se constituye la tesis, pasando por recapitular algunos conceptos básicos en ingeniería hidrológica, explicar la estructura y los parámetros descriptores del modelo mensual de transformación precipitación – escurrimiento de Témez, así como presentar los principales tópicos para el diseño hidráulico y balance hídrico en pequeñas presas de materiales sueltos. Prosiguiendo, se explican los factores que producen los fenómenos de erosión y depositación de sedimentos en embalses, así como las metodologías para su cálculo (USLE). Finalmente, se presentan fundamentos del geoprocesamiento en sistemas de información geográfica (GIS) para fines de ingeniería hidrológica, y modelamiento numérico de filtraciones y redes de flujo en presas. El tercer capítulo desarrolla los procedimientos necesarios en las distintas etapas para calcular y dimensionar la presa del caso de estudio. Se comienza con una breve descripción general del proyecto, para luego pasar a la caracterización de la cuenca Champaccocha mediante la definición de las distintas variables en el entorno, sea geomorfometría, geología, edafología, etc., y el análisis geofísico y estratigráfico. Más adelante, se procede con el procesamiento de datos meteorológicos, lo cual incluye un tratamiento estadístico mediante el análisis exploratorio de datos (AED) para descartar outliers, y corregir los datos por homogeneidad de la muestra. Continuando con el procedimiento, se ejecuta el completado de datos faltantes, y para finalizar este acápite se hallan las series representativas de precipitación y temperaturas de la cuenca. Posteriormente, se calcula la evapotranspiración potencial y se procede a simular el modelo de Témez. Una vez llegado a este punto, se inicia con el modelado BIM de la presa, con lo cual luego es posible ejecutar los apartados de cálculo de volumen muerto y modelamiento numérico bidimensional de redes de flujo con SEEP/W de Geostudio. Terminando el capítulo, se calculan los caudales ecológicos, se ejecuta el balance hídrico en la presa, y se analiza el nivel de impacto que genera el represamiento en la satisfacción de la demanda agrícola mediante un análisis de sensibilidad variando la cantidad de parcelas regadas y la altura de la presa. Por último, se realiza un pequeño acápite de vulnerabilidad ante el cambio climático, en el cual se evalúan las proyecciones hacia el año 2030. En el capítulo final, se plasman las principales reflexiones y conclusiones respecto al desarrollo de la tesis, así como recomendaciones que apoyan el desarrollo de futuras investigaciones en este amplio campo de estudio.

El presente trabajo busca ser una buena alternativa en la instalación de grupos hidroenergéticos en las Pequeñas Centrales Hidroeléctricas que se construyen en el Perú y de este modo cubrir el déficit de electrificación en zonas rurales. Para ello, se ha planteado el diseño de un grupo hidroenergético que opere con una turbina estandarizada Michell- Banki debido a que esta turbina tiene una buena eficiencia dentro de un amplio rango de caudal, bajo costo y es de fácil fabricación local. La función principal del grupo hidroenergético es aprovechar la energía cinética de una caída de agua y transformar el trabajo técnico en el eje de la turbina en energía eléctrica para su uso en zonas rurales, de manera que se pueda mejorar la calidad de vida de los habitantes de estas localidades. Para el desarrollo de este trabajo se ha realizado el diseño hidráulico del rodete y del inyector, que son los principales componentes de la turbina. Esto se ha realizado mediante una metodología en la cual los únicos parámetros de entrada son la potencia de 120 kW generada en el eje de la turbina y el rango de variación de la velocidad específica de la turbina Michell-Banki. Las características nominales de la turbina son las siguientes: 120 kW generados en el eje de la turbina Michell-Banki, velocidad de giro igual a 1800 rpm, 82% de eficiencia hidráulica a plena carga, velocidad específica de la turbina igual a 100, caudal de diseño igual a 0.19 m3/s y salto neto igual a 75.4 m. Debido a las características de las turbinas Michell-Banki el grupo hidroenergético puede trabajar conservando una buena eficiencia en un rango de potencias desde 63.8 kW hasta 120 kW, en un rango de salto neto desde 50.8 m hasta 113.8 m y en un rango de caudal desde 0.11 m3/s hasta 0.22 m3/s. Una vez finalizado el diseño hidráulico se ha realizado el diseño mecánico de todos los componentes del grupo hidroenergético como eje del rodete, apoyos del eje del rodete, carcasa, bastidor, además de la verificación por resistencia del rodete y del inyector. Por otro lado, se ha diseñado la pieza de transición entre la salida de la tubería de presión de sección circular y la entrada del inyector de sección rectangular. Además, se ha seleccionado el generador eléctrico y se ha diseñado el sistema de transmisión de potencia entre la turbina y el generador, de tal manera que este gire a su velocidad de sincronismo. El costo del grupo hidroenergético de 120 kW utilizando una turbina Michell-Bank es aproximadamente S/. 40,391.97 considerando costos ingeniería, costos de fabricación y costos de equipos de compra directa.

Las ruedas hidráulicas representan una alternativa sencilla, confiable y ambientalmente amigable para la generación de potencia, mecánica o eléctrica. Utilizan como fuente energética un flujo de corriente de agua, no producen desperdicios significativos en la transferencia energética, ni requieren mayores trabajos de obras civiles que alteren el área donde se instalan. Además, dada su facilidad constructiva, no requieren conocimientos técnicos avanzados en su diseño, fabricación y manejo. El objetivo de este trabajo es establecer relaciones cuantitativas sencillas que permitan ponderar el comportamiento de una rueda hidráulica basándose en características básicas del mecanismo y la fuente del recurso energético. Se desea también obtener información cualitativa del funcionamiento de la rueda para una estructura en particular.

Existe al presente una rueda hidráulica en la PUCP que no está siendo aprovechada eficientemente. En uno de los extremos del eje tiene una bomba que se acciona con el giro y al otro lado del eje simplemente está apoyado en una chumacera. Este proyecto inicia cuando se descubrió el potencial de elaborar un mecanismo que permitiría utilizar el giro del extremo libre para almacenar energía. Actualmente, la energía producida por ese lado del eje estaba en completo desuso y a través de esta iniciativa esta energía se podrá aprovechar y utilizar de manera eficiente. El proyecto se empleará a través de un sistema de embrague que fue diseñado con este propósito ya que se quiere acoplar un generador mientras el eje esté girando. Se efectuó un análisis físico, estático, técnico y económico, finalmente se diseñó un procedimiento que cumplió con las obligaciones propuestas. Esto se logró siguiendo los siguientes pasos: un estudio extenso del estado del arte, estudio de las funciones principales del sistema, las alternativas viables, las evaluaciones técnicas, evaluaciones económicas, cálculos, proceso de selección, esquemas representativos, finalizando con un estudio del mercado peruano. De acuerdo al reto asumido inicialmente, y después de la investigación, el diseño, la elaboración de planos y las respectivas revisiones se puede decir que se logró obtener los resultados previstos con este sistema de embrague. El embrague soportará el torque entregado por la rueda hidráulica de 1kW de potencia y 2m de diámetro sin esforzar al operario, prometiendo que el trabajo será seguro, liviano, confiable y económico. De esta manera se puede concluir que se cumplieron las metas establecidas logrando superar este desafío.