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CURSO ANEAS:
Modelación Hidráulica y Sectorización
de Redes de Agua Potable
Por Leonel Ochoa Consultor
Sistema de Aguas de la Ciudad de México, SACMEX
Noviembre 2014
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REINO UNIDO, 1980 “District Metered Area (DMA)”
ORIGEN DE LA SECTORIZACIÓN DE
REDES DE AGUA
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DISTRITO HIDROMÉTRICO TÍPICO
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SECTORES HIDROMÉTRICOS
¡ EL ENFOQUE MODERNO DE LOS SECTORES HIDROMÉTRICOS ES
EN EL CONTEXTO INTEGRADO DE EFICIENCIA HIDRÁULICA,
VOLUMÉTRICA Y ENERGÉTICA !
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SECTORES
HIDROMÉTRICOS
( SH )
¡ EJEMPLO DE SECTORIZACIÓN DE UN SISTEMA DISTRIBUCIÓN DE
AGUA POTABLE
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TRAZO DE RED CONVENCIONAL
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TIPO DE SECTORIZACIÓN I
RED PRIMARIA CON BLOQUES DE TUBERÍAS
SECUNDARIAS
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EJEMPLO…
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TIPO DE SECTORIZACIÓN II
REDES PRIMARIA Y SECUNDARIA INTEGRADAS
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EJEMPLO…
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RED CON SECTORES
Facilita el el mejoramiento de la
eficiencia volumétrica, hidráulica y energética
en la red de agua potable
RED CONVENCIONAL
Dificulta el proceso de incremento de
eficiencia del sistema de agua potable
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CUATRO ELEMENTOS NECESARIOS PARA SECTORIZAR
UNA RED:
Sector completamente aislado
Sector con suministro de agua
independiente
Sector cumple especificaciones de velocidad y
presión en tuberías y nodos
Sector garantiza suministro continuo a
usuarios.
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ETAPAS DE LA SECTORIZACIÓN
DE REDES DE
AGUA POTABLE
Planeación
Construcción e instrumentación
Operación y mantenimiento
• Selección del período de diseño del proyecto • Evaluación del funcionamiento hidráulico del sistema • Estimación de la población en el sistema
• Análisis entre la oferta y demanda de agua • Anteproyecto de la sectorización de la red
• Verificación en campo del diseño y confirmación de obras a ejecutar
• Ejecución de obra civil
• Instrumentación y equipamiento
• Pruebas de aislamiento y puesta en operación • Evaluación de la eficiencia hidráulica • Evaluación de le eficiencia volumétrica
• Evaluación de la eficiencia de facturación • Mantenimiento continuo de sectores
Diseño
• Diseño hidráulico de la sectorización de la red • Diseño de distritos hidrométricos • Elaboración de planos constructivos y presupuesto
• Evaluación económica del proyecto
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PLANEACIÓN
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Zona 1 Zona 4
Colonia A 5.0 % Colonia G 6.0 %
Colonia B 13.0 % Colonia H 5.0 %
Total Zona 1 18.0 % Colonia I 8.0 %
Zona 2 Colonia J 12.0 %
Colonia C 4.0 % Colonia K 3.0 %
Coonia D 8.0 % Total Zona 4 34.0 %
Colonia E 7.0 % Zona 5
Total Zona 2 19.0 % Colonia L 3.0 %
Zona 3 Colonia M 5.0 %
Colonia F 14.0 % Colonia N 7.0 %
Total Zona 3 14.0 % Total Zona 5 15.0 %
Caudal total requerido 100.0 %
CAUDALES REQUERIDOS EN
UNA CIUDAD
NOTA: Se incluyen gastos de fugas
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Distribución espacial los caudales (en
porcentaje) suministrados en una ciudad
ficticia;
OC= Obra de captación
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Caudales demandados
Caudales suministrados
OC-2
OC-1
PORCENTAJEDECAUDALSUMINISTRADOYDEMANDADOENZONASACTUALES
Z-1
18%
Z-2
19 %
Z-4
34%
Z-3
14%
Z-5
15%
Zona Colonias Caudal suministrado Caudal demandado Diferencia
Z-1 A-B 8.0 % 18.0 % - 10.0 %
Z-2 C-D-E 17.0 % 19.0 % - 2.0 %
Z-3 F 10.0 % 14.0 % - 4.0 %
Z-4 G-H-I-J-K 23.0 % 34.0 % -11.0 %
Z-5 L-M-N 42.0 % 15.0 % + 27.0 %
TOTAL 100.0 % 100.0 % -
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OC-2
OC-1
PORCENTAJEDECAUDALSUMINISTRADOYDEMANDADOENZONASACTUALES
Z-1
18%
Z-2
19 %
Z-4
34%
Z-3
14%
Z-5
15%
OC-2
OC-1
Z-1
11%
Z-2
19 %
Z-4
41%
Z-3
14%
Z-5
15%
PORCENTAJEDECAUDALSUMINISTRADOYDEMANDADOEN
SECTORESDEPROYECTO
REDISTRIBUCIÓN DE CAUDALES PARA
SECTORIZAR LA RED
Zona Colonias Caudal suministrado Caudal demandado Diferencia
Z-1 A 11.0 % 11.0 % 0 %
Z-2 C-D-E 19.0 % 19.0 % 0 %
Z-3 F 14.0 % 14.0 % 0 %
Z-4 B-G-H-I-J-K 41.0 % 41.0 % 0 %
Z-5 L-M-N 15.0 % 15.0 % 0 %
TOTAL 100.0 % 100.0 %
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ETAPAS DE LA SECTORIZACIÓN
DE REDES DE
AGUA POTABLE
Planeación
Construcción e instrumentación
Operación y mantenimiento
• Selección del período de diseño del proyecto • Evaluación del funcionamiento hidráulico del sistema • Estimación de la población en el sistema
• Análisis entre la oferta y demanda de agua • Anteproyecto de la sectorización de la red
• Verificación en campo del diseño y confirmación de obras a ejecutar
• Ejecución de obra civil
• Instrumentación y equipamiento
• Pruebas de aislamiento y puesta en operación • Evaluación de la eficiencia hidráulica • Evaluación de le eficiencia volumétrica
• Evaluación de la eficiencia de facturación • Mantenimiento continuo de sectores
Diseño
• Diseño hidráulico de la sectorización de la red • Diseño de distritos hidrométricos • Elaboración de planos constructivos y presupuesto
• Evaluación económica del proyecto
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FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO DEL SISTEMA
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Pt =K
1+ be-at
Modelo logístico de
Verhulst, 1920
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DISTRIBUCIÓN
ESPACIAL DE LA
POBLACIÓN
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BALANCE HÍDRICO
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AGUA
SUMINISTRADA
942.93' m3
100%
CONSUMOAUTORIZADOFACTURADO
508.8' m3
54%
Errores de exactitud
0.43' m3 (0.05%)
Errores de lectura y captura
0.86' m3 (0.09%)
CONSUMOAUTORIZADO
NO–FACTURADO
38.1' m3
4%
Reparación tuberías
3.8' m3 (0.4%)
Procesos de plantas
7.6' m3 (0.8%)
Parques públicos
13.3' m3 (1.4%)
Incendio y otros
11.4' m3 (1.2%)
PÉRDIDASAPARENTES
66.14' m3
7.0%
Usos ilegales regularizados
1.15' m3 (0.1%)
Fugas eliminadas tuberías
2.31' m3 (0.24%)
USOS ILEGALES POTENCIALES
56.39' m3 (6.0%)
FUGAS POTENCIALES TUBERÍAS
43.88' m3 (4.7%)
Errores en cuota fija
7.31' m3 (0.78%)
CONSUMOAUTORIZADO
546.9' m3
58%
PÉRDIDASDE AGUA
396.03' m3
42%
PERDIDASREALES
329.89' m3
35.0%
AGUA
FACTURADA
508.8' m3
54.0%
AGUA
NOFACTURADA
434.1' m3
(46.0%)
Agua Exportada
0' m3 (0%)
Consumo facturado
medido
330.73' m3 (35.1%)
Consumo facturado
no medido178.08' m3 (18.9%)
Consumo no facturado
medido
19.0' M3 (2%)
Consumo no facturado
no medido
19.0' M3 (2%)
Agua facturada y enviada
hacia otras redes 0' m3 (0%)
Consumo doméstico
231.51 m3 (24.6%)
Consumo No-doméstico
99.22' m3 (10.5%)
Consumo de cuota fija
178.08' m3 (18.9%)
Consumo
no autorizado
57.54' m3 (6.1%)
Inexactitudes de medidores
y errores de manejo de datos
8.6' m3 (0.9%)
Fugas en tuberías de
conducción y distribución
46.19' m3 (4.9%)
Fugas y derrames en
tanques
6.6' m3 (0.7%)
Fugas en tomas
domiciliarias
280' m3 (29.7%)
Evaporación en depósitos
1.9' m3 (0.2%)
Fugas eliminadas tanques
2.97' m3 (0.31%)
FUGAS POTENCIALESTANQUES
0.33' m3 (0.03%)
Fugas eliminadas en tomas
56.08' m3 (5.95%)
FUGAS POTENCIALES EN TOMAS
224.33' m3 (23.79%)
BALANCE HÍDRICO
ESTANDAR DE LA INTERNATIONAL WATER ASSOCIATION, IWA
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Escenario A: Demanda MAYOR que el suministro de agua
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PROYECCIÓN DE LA DEMADA DE AGUA
Escenario A. Demanda actual mayor que la oferta
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EJEMPLO
Nivel de fugas 20 % Dotación 240 L/hab/día
CONCEPTO ZA-2 ZA-3 ZA-1 Suma
Población de proyecto 44,834 60,733 10,071 115,638
Q requerido (L/s) 124.5 168.7 28.0 321.2
Fuentes de suministro Presa, minas Cabadeñas y
Esmeralda
Pozos el
Verano
Mina Vesper y la
Recompensa
Q suministrado (L/s) 90.00 240.00 44.00 374.00
Diferencia Q (L/s) -34.5 71.3 16.0 52.8
Déficit Superávit Superávit Superávit
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Nivel de fugas 20 % Dotación 240 L/hab/día
CONCEPTO ZA-2 ZA-3 ZA-1 Suma
Población de proyecto original 44,834 60,733 10,071 115,638
Población de proyecto
modificada 32,385 72,896 10,356 115,637
Q requerido (L/s) 90.0 202.5 28.7 321.2
Fuente de suministro Presa, minas
Cabadeñas y La
Esmeralda
Pozos el Verano Mina Vesper y la
Recompensa
Q suministrado (L/s) 90.0 240.00 44.00 374.00
Diferencia Q (L/s) + 0.0 + 37.5 + 15.3 + 52.8
Superávit Superávit Superávit Superávit
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SUB-SECTORIZACIÓN
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SECTORIZACIÓN DE
REDES CON POZOS
DISPERSOS EN LA
CIUDAD
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![Page 32: Modelación Hidráulica y Sectorización de Redes de …...CURSO ANEAS: Modelación Hidráulica y Sectorización de Redes de Agua Potable Por Leonel Ochoa Consultor Sistema de Aguas](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062402/5e9f23c512e2917e125aa433/html5/thumbnails/32.jpg)
DISEÑO
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ETAPAS DE LA SECTORIZACIÓN
DE REDES DE
AGUA POTABLE
Planeación
Construcción e instrumentación
Operación y mantenimiento
• Selección del período de diseño del proyecto • Evaluación del funcionamiento hidráulico del sistema • Estimación de la población en el sistema
• Análisis entre la oferta y demanda de agua • Anteproyecto de la sectorización de la red
• Verificación en campo del diseño y confirmación de obras a ejecutar
• Ejecución de obra civil
• Instrumentación y equipamiento
• Pruebas de aislamiento y puesta en operación • Evaluación de la eficiencia hidráulica • Evaluación de le eficiencia volumétrica
• Evaluación de la eficiencia de facturación • Mantenimiento continuo de sectores
Diseño
• Diseño hidráulico de la sectorización de la red • Diseño de distritos hidrométricos • Elaboración de planos constructivos y presupuesto
• Evaluación económica del proyecto
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ANTEPROYECTO DE
SECTORES EN LA RED
CLAVE SECTOR HIDRÁULICO
POBLACIÓN (hab)
GASTO MEDIO (L/s)
GASTO MÁXIMO
DIARIO (L/s)
GASTO MÁXIMO
HORARIO (L/s)
SH-1 Paraíso Limón 10,749 24.80 34.72 53.81 SH-2 Zapata 32,078 74.00 103.60 160.57
SH-3 Los Manguitos 5,248 12.11 16.95 26.27 SH-4 Las Mesas 13,179 30.40 42.56 65.97
SH-5 Tlapanecos-Hujal 15,663 36.13 50.58 78.40 SH-6 Quebrachal 3,468 8.00 11.20 17.36
Total = 80,385 185.43 259.60 402.38
![Page 35: Modelación Hidráulica y Sectorización de Redes de …...CURSO ANEAS: Modelación Hidráulica y Sectorización de Redes de Agua Potable Por Leonel Ochoa Consultor Sistema de Aguas](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062402/5e9f23c512e2917e125aa433/html5/thumbnails/35.jpg)
SECTORPARAÍSOSH-1
MODELO DE
SIMULACIÓN
HIDRÁULICA DE RED
SECUNDARIA
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ZONASINAGUA
ZONASINAGUA
ZONACONPRESIÓNALTA
SECTORPARAÍSOSH-1
ZONACONAGUA
ZONACONAGUA
ZONACONPRESIÓNREGULAR
SECTORPARAÍSOSH-1
INSTALARTUBERÍANUEVA
INSTALARVÁLVULAREDUCTORADEPRESIÓN
A3.5KG/CM2
DESCONECTARTUBERÍA
CONECTARTUBERÍA
Análisis hidráulico y adecuaciones de
diseño para el buen funcionamiento
hidráulico interno del sector hidrométrico
• Diámetros de tuberías con insuficiente
capacidad hidráulica
• Recorridos del agua muy largos
• Discontinuidades en los tramos de tuberías
• Reducciones de diámetros grandes a muy
pequeños en tuberías
• Topografía irregular del área
• Zonas con elevaciones altas
Razones que impiden la
distribución del agua en la red:
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RED PRIMARIA ORIGINAL
![Page 38: Modelación Hidráulica y Sectorización de Redes de …...CURSO ANEAS: Modelación Hidráulica y Sectorización de Redes de Agua Potable Por Leonel Ochoa Consultor Sistema de Aguas](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062402/5e9f23c512e2917e125aa433/html5/thumbnails/38.jpg)
RED PRIMARIA DE PROYECTO
![Page 39: Modelación Hidráulica y Sectorización de Redes de …...CURSO ANEAS: Modelación Hidráulica y Sectorización de Redes de Agua Potable Por Leonel Ochoa Consultor Sistema de Aguas](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062402/5e9f23c512e2917e125aa433/html5/thumbnails/39.jpg)
MODELO DE SIMULACIÓN HIDRÁULICA DE LA RED PRIMARIA:
Diseño de su funcionamiento
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Fases de la modelación de los sistemas hidráulicos a presión…
![Page 41: Modelación Hidráulica y Sectorización de Redes de …...CURSO ANEAS: Modelación Hidráulica y Sectorización de Redes de Agua Potable Por Leonel Ochoa Consultor Sistema de Aguas](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062402/5e9f23c512e2917e125aa433/html5/thumbnails/41.jpg)
11
13
Nodo especial
(Tanque)
Nodo especial
(Tanque)
Nodo especial
(Pozo)
Nodos especiales
(Demanda de agua)
Nodo simple
REPRESENTACIÓN DE UNA RED EN UN MODELO HIDRÁULICO
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Qi, j + qi = 0j=1
m
å
DHk, j = 0j=1
n
å
I = Número de nodos en la red
K = Número de circuitos en la red
DHk, j = f0.81* L
g* D5Q2
æ
èç
ö
ø÷
k, j
- Q1,3
+ Q1,0 - Q1,2
- q1
- ΔH3,8 + ΔH3,11
- ΔH3,10
+ ΔH3,9
Circuito k=3
Nodo i=1
Q1,0 – Q1,3 – Q1,2 – q1 = 0
DH3,9 + DH3,11 - DH3,10 - DH3,8 = 0
Primera Ley:
Segunda Ley:
CIRCUITO k = 3
3
2
0
NODO i = 1
ANÁLISIS HIDRÁULICO DE REDES Leyes de Kirchoff :
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Nodo i-1 Nodo i
Nodo i-1 Nodo i
Demandas de agua en las conexiones domiciliarias (qi-1, i)
La demanda de agua en el nodo del modelo es igual a la suma de las
demandas de agua de las conexiones domiciliarias qi = Σ(qi-1, i)
qi
Flujo
SITUACIÓN REAL
REPRESENTACIÓN EN MODELO
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Modelo de flujo permanente
Nodos:
• Elevación
• Demanda
• Ubicación
Propiedades
Tuberías:
• Diámetro
• Longitud
• Rugosidad
Tanques:
• Nivel de agua
• Elevación
• Ubicación
Válvulas:
• Tipo de función
• Diámetro
• Estado
Bombas:
• Curva Q-H-n
• Nivel dinámico
• Ubicación
Resultados
Nodos:
• Presiones
Tuberías:
• Gastos
• Velocidades
• Dirección del flujo
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Software
comercial
disponible
EPANET
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y=0.0934x+530.55R²=0.89918
0
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
0 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 120,000 140,000 160,000
Nú
mero
de n
od
os d
el
mo
delo
Númerodeconexionesenlared
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DH-1 DH-2
DISEÑO DE DISTRITOS HIDROMÉTRICOS
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Tubería abierta
Q salida =27.58 L/s
Tubería abierta
Q salida = 18.5 L/s
Tubería abierta
Q entrada = 45.9 L/s
DH-2 No-aislado
Presiones normales de operación en
toda la zona
Tubería abierta
Q entrada = 13.82 L/s Caudal neto para el DH-2
Q DH =13.64 L/s
Tubería cerrada
Q salida = 0 L/s
Tubería cerrada
Q salida = 0 L/s
Tubería abierta
Q entrada = 13.64 L/s
DH-2 Aislado una entrada de agua
Presiones en cero en toda la
esta zona
(Sin agua)
Tubería cerrada
Q entrada = 0 L/s Caudal neto para el DH-2
Q DH =13.64 L/s
Tubería abierta Q salida = 46.08 L/s
Tubería cerrada Q salida = 0 L/s
Tubería abierta Q entrada = 59.72 L/s
DH-2 Aislado una entrada y una
salida de agua
Presiones normales en toda
la esta zona
Tubería cerrada Q entrada = 0 L/s
Caudal neto para el DH-2
Q DH =13.64 L/s
DISEÑO DE DISTRITOS HIDROMÉTRICOS
DENTRO DE SECTORES
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ELABORACIÓN DE PLANOS DE DISEÑO EJECUTIVO DE SECTORES
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fF/P,i,N = (1+ i)N
ANÁLISIS ECONÓMICO DEL PROYECTO DE SECTORIZACIÓN
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![Page 52: Modelación Hidráulica y Sectorización de Redes de …...CURSO ANEAS: Modelación Hidráulica y Sectorización de Redes de Agua Potable Por Leonel Ochoa Consultor Sistema de Aguas](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062402/5e9f23c512e2917e125aa433/html5/thumbnails/52.jpg)
BENEFICIOS DEL PROYECTO DE
SECTORIZACIÓN
AHORRO DE ENERGÍA
ELÉCTRICA CON
EQUIPOS DE BOMBEO DE
DISEÑO
AHORRO DE AGUA
PRODUCIDA POR REDISTRIBUCIÓN
DE CAUDAL
AHORRO DE AGUA POR REDUCCIÓN DE FUGAS
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B
C³1 Þ Proyecto de sectorización viable económicamente
CFFIS
EEBRFRHC
CCC
BBB
C
B
BENEFICIOS Y COSTOS EN VALOR PRESENTE ( $ )
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Fin de la
primera parte
Dr. Leonel Humberto Ochoa Alejo
Consultor
Sistema de Aguas de la Ciudad de México, SACMEX
Correo: [email protected]