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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERIA E.A.P. INGENIERIA CIVIL

INFORME FINAL DE INVESTIGACIÓN 2011

TITULO: “ESTIMACIÓN POR METODO ESTADISTICO DE LA DOTACIÓN DE AGUA POTABLE PARA LA ZONA DE EXPANSION URBANA DE NUEVO CHIMBOTE”

RESPONSABLE :

M.Sc. Ing. HUGO AMADO ROJAS RUBIO

14 de Setiembre del 2012

CAPÍTULO I: GENERALIDADES

En el diseño de la infraestructura de redes de agua potable en Nuevo Chimbote, se presenta la problemática principal de la existencia de estudios estadísticos de campo, por lo que frecuentemente se toman los valores referenciales de dotación de agua por persona, establecidos en el Reglamento Nacional de Edificaciones; originando en algunos casos, el sub dimensionamiento o sobre dimensionamiento de las estructuras de almacenamiento y conducción del agua.

HIPOTESIS: Si se logra determinar por métodos estadísticos la dotación de agua potable por conexión domiciliaria; entonces, permitirá disponer de datos reales del consumo en las zonas de expansión urbana de Nuevo Chimbote, evitando con ello el sub dimensionamiento o sobre dimensionamiento de las estructuras de almacenamiento y conducción de agua. VARIABLES: — Variable Dependiente: Métodos estadísticos para la

determinación de la dotación de agua potable. — Variable Independiente: Obtención de datos reales del

consumo por conexión domiciliaria.

OBJETIVO GENERAL: Ø

Determinar por métodos estadísticos para fines de optimización, la dotación de agua potable para consumo humano en el sector de Villa María ENACE, considerado como zona de expansión urbana de Nuevo Chimbote.

OBJETIVOS ESPECIFICOS: Ø

Medición del volumen de agua consumida por conexión domiciliaria según muestreo en el sector de Villa María ENACE de Nuevo Chimbote. Ø Determinar por métodos estadísticos la dotación promedio diaria anual por habitante.

METODO DE ESTUDIO: Análisis de la Información Disponible: Para la elaboración del presente proyecto de investigación, se tomará como referencia la Norma OS.100 “Consideraciones Básicas de Diseño de Infraestructura Sanitaria" del Reglamento Nacional de Edificaciones, los datos obtenidos de las mediciones efectuadas durante los meses de evaluación del consumo por vivienda en el sector de Villa María ENACE; además de bibliografía referente a Estadística que será aplicada para estimar la dotación real en éste sector. Trabajo de Campo: Consistirá en realizar periódicamente mediciones del consumo de agua potable durante 7 meses de distintas viviendas seleccionadas mediante un muestreo estadístico.

Diseño de Formatos y Cálculos: Se elaboraran formatos para la recolección de datos y para el registro de los datos obtenidos, además se elaboraran hojas de cálculo para el procesamiento de los datos y posteriormente para la obtención de resultados. Población Muestral: Zonas de Expansión Urbana de Nuevo Chimbote. Unidad de Análisis: Viviendas de las Manzanas A’, B’, C’, D’, T, U, V, W, X, Y y Z, del sector de Villa María ENACE. Técnicas e Instrumentos de recolección de datos: Ø Las técnicas a desarrollarse son: Ø Muestreo de viviendas a estudiar. Ø Elaboración de formatos para encuestas y recolección de datos. Ø Encuestas. Ø Observación directa. Ø Investigación de documentación relacionada con el Proyecto.

Técnicas de Procesamiento de Datos Para el procesamiento de datos se diseñaran hojas de cálculo haciendo uso del software Microsoft Excel.

CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO

ANTECEDENTES DE LA DOTACION DE AGUA POTABLE: ž

Dotación según la Organización Mundial de la Salud: La Organización Mundial de la Salud (OMS) considera que la cantidad adecuada de agua para consumo humano (beber, cocinar, higiene personal y limpieza del hogar) es de 50 l/hab-día. A estas cantidades debe sumarse el aporte necesario para la agricultura, la industria y la conservación de los ecosistemas acuáticos, fluviales del agua dulce. Teniendo en cuenta estos parámetros, se considera una cantidad mínima de 100 l/hab-día

ž

Dotación Según el Reglamento Nacional de Edificaciones: TABLA: Dotación de Agua Potable Según la Norma OS.100 Reglamento Nacional de Edificaciones

CLIMA FRIO

TEMPLADO Y CALIDO

SISTEMAS CON CONEXIONES DOMICILIARIAS

180 lt/hab/día

220 lt/hab/día

PROGRAMAS DE VIVIENDA C/LOTES MENOR O IGUAL 90m2

120 lt/hab/día

150 lt/hab/día

SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO INDIRECTO

30 lt/hab/día

50 lt/hab/día

SITUACIÓN ACTUAL: ž

En la actualidad los asentamientos humanos como Villa María ENACE, poseen un consumo de agua del tipo doméstico, es decir, su consumo está compuesto por una dotación de agua que cubre sus necesidades básicas como: beber, cocinar, higiene personal y limpieza del hogar. TABLA: Dotación de Agua usada en diseños de Sistemas de Agua Potable en obras realizadas dentro de la Provincia del Santa

OBRA

LUGAR

FECHA

DOTACION DISEÑO

Mejoramiento del sistema de agua potable y desague del H.U.P. David Dasso Hooke - Nuevo Chimbote

H.U.P. David Dasso Hooke

junio - 2009

220 lt/hab/día

abril - 2009

220 lt/hab/día

marzo - 2010

220 lt/hab/día

enero - 2011

220 lt/hab/día

Mejoramiento del sistema de agua potable y desague de los asentamientos Humanos Miraflores Alto - Miraflores Miraflores Alto Tercera zona de Chimbote Mejoramiento del sistema de Agua Potable y Desague de P.J. Florida Alta y los Pueblos Jóvenes Florida Alta y Florida Baja de Florida Baja Chimbote Mejoramiento y Automatización del sistema de U.P. Bellamar Abastecimiento de Agua Potable y Alcantarillado Sector IV Sanitario de la U.P. Bellamar Sector IV - 1° y 2° Etapa

TABLA: Dotación de Agua estimada en base a consumos reales MES

CONSUMO (M3)

N° LOTES

HAB. X LOT.

DOTACION (Lt/hab/día)

SET

4022

252

5

106.40

AGO

3905

252

5

99.97

JUL

3984

252

5

102.00

JUN

4151

252

5

109.81

MAY

4087

252

5

104.63

ABR

4254

252

5

112.54

MAR

4084

252

5

104.56

TABLA: Consumos facturados por Seda Chimbote .

De las tablas anteriores se establece que actualmente en el diseño de sistemas de agua potable de centros urbanos se está teniendo un sobre dimensionamiento, producto del valor de la dotación que se considera en los diseños.

CONCEPTOS DEL ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE: El abastecimiento de agua potable consiste en proporcionar agua a la Población de manera eficiente considerando la calidad, cantidad continuidad y confiabilidad de ésta, además que está conformado por una serie de estructuras (captación, conducción, tratamiento, almacenamiento, aducción y distribución) que serán diseñadas adecuadamente según la función que desempeñan de acuerdo a los siguientes parámetros: — Período de diseño — Consumo y Dotación — Población — Área de Diseño ž

CONSUMO: En el diseño de un abastecimiento de agua potable el factor esencial es el conocimiento de la cantidad de agua que se necesita para atender a una población del cual dependerá el: ž ž

Consumo por habitante Cantidad de habitantes a considerar

FACTORES QUE DETERMINAN EL CONSUMO: — El estándar de vida o sea el modo de vida de los habitantes. — El clima. — Calidad y costo del agua. — Tamaño de la población. — La presión de agua. — Uso de medidores. — El tamaño de los lotes de las viviendas. ž

DOTACION: Es la cantidad de agua en promedio que consume cada habitante y que comprende todos los tipos de consumo en un día promedio anual, incluyendo las pérdidas físicas en el sistema. Dotación Consumo

= Consumo / N° de habitantes (lts/hab/día) = Dotación x N° de habitantes (lts/día o m3/día)

CONCEPTOS ESTADISTICOS: MUESTREO: Es la actividad por la cual se toman ciertas muestras de una población de elementos de los cuales vamos a tomar algunos criterios de decisión, el muestreo es importante porque a través de él podemos obtener características acertadas de la población sin tener que estudiar a toda la población. Muestreo por Conglomerados: En el muestreo por conglomerados la unidad muestral es un grupo de elementos de la población que forman una unidad, a la que llamamos conglomerado. Tamaño de la Muestra: A la hora de determinar el tamaño que debe alcanzar una muestra hay que tomar en cuenta varios factores: el tipo de muestreo, el parámetro a estimar, el error muestral admisible, la varianza poblacional y el nivel de confianza.

MEDIDAS DE DISPERSION: Varianza: Se basa en la idea de promediar las desviaciones respecto de la media aritmética, se define como:

Desviación Estándar: La desviación estándar de la muestra es solo la raíz cuadrada de varianza:

Coeficiente de Variación: Es una medida de dispersión que señala qué tan grande es la magnitud de la desviación estándar respecto a la media del conjunto de datos que se examina.

INTERVALOS DE CONFIANZA: Un intervalo de confianza es un conjunto de valores formado a partir de una muestra de datos de forma que exista la posibilidad de que el parámetro poblacional ocurra dentro de dicho conjunto con una probabilidad específica. La probabilidad específica recibe el nombre de nivel de confianza: Los factores que determinan el ancho del intervalo de confianza son: — El tamaño de la muestra, n. — La varianza de la muestra S — El nivel deseado de confianza

CAPÍTULO III: MATERIALES Y MÉTODOS

DESCRIPCION GENERAL POBLACION: La población en estudio como es el sector de Villa María ENACE, está ubicado en el Distrito de Nuevo Chimbote. Descripción: Norte : Pueblo Joven de Villamaría (Av. Aviación). Sur : Las Brisas. Este : PP.JJ. 1º de Mayo. Oeste : PP.JJ. 7 de Julio.

PLANO DE POBLACION ESTUDIADA

Y

X

W

A'

A2

V

U B2

Z

B' T

C'

D'

VIVIENDAS: Las viviendas de Villa María-ENACE tienen características muy similares entre ellas el 85% de ellas son de material noble, además el 90% de las viviendas tienen un área de 108 m2, a excepción de las casas de las esquinas tienen 147 m2 de área neta. Las viviendas según el Reglamento Nacional de Edificaciones pertenecen al tipo R-3, es decir la altura máxima de construcción permitida para esas viviendas es de tres niveles. A continuación se mostrara la tabla nº, la cual muestra los tipos de viviendas de la población en estudio. Tabla nº 13: Número de Pisos de las Viviendas en estudio

1 32 61.54 %

Nº de Pisos 2 3 16 4 30.77 % 7.69 %

Total 52 100 %

CUADRO RESUMEN DE LAS ENCUESTAS REALIZADAS Mz

T

U

V

W

X

Y

Z

Lt

Nº HABITANTES

Nº PISOS

20 31 34 8 11 6 14 16 3 6 9 12 17 18 20 8 15 17 22 24 25 31 37 22 25 28 2 3 4 5 6 12 15 18

4 3 3 5 6 3 4 2 3 4 5 2 8 4 3 2 1 4 4 4 4 4 4 4 3 6 5 4 1 3 4 4 5 4

1 1 1 1 1 2 2 1 1 2 2 1 3 1 3 1 1 1 2 1 1 2 2 1 2 2 1 2 2 2 1 1 3 1

Mz

A'

B'

C'

D'

Lt

Nº HABITANTES

Nº PISOS

4 7 15 16 1 15 3 4 19 2 7 9 13 17 19 27 30 32

2 4 4 2 5 4 4 5 3 4 6 5 5 2 2 3 4 5

2 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1 1 2

LECTURA DE LOS MEDIDORES DE LAS VIVIENDAS: Para obtener el volumen de agua consumido por los habitantes de cada vivienda es necesario tomar lectura del consumo diario de los habitantes. Estos datos fueron tomados a lo largo de siete meses, incluyendo así las estaciones de verano (máximo consumo), otoño e invierno (minino consumo). Este paso consiste en tomar nota de la lectura del medidor de cada conexión domiciliaria en estudio, a lo largo de los siete meses. MEDIDORES VOLUMENTRICOS DE AGUA — Los medidores de agua indican el caudal de agua que corre a través de un conducto. Por lo tanto, se pueden leer los metros cúbicos en el medidor de agua.

FORMATO 01: RECOLECCIÓN DE LECTURAS DIARIAS FECHA: MZ T U V

W

X

Y

Z

Lt 20 31 34 8 11 6 14 16 3 6 8 9 12 17 18 20 8 15 17 22 24 25 31 37 13 15 22 25 28 2 3 4 5 6 12 15 18

LECTURA (m3) HORARIO

MZ A'

B'

C'

D'

Lt 4 7 15 16 1 15 3 4 6 19 2 7 8 9 13 17 19 27 30 32

LECTURA (m3) HORARIO

CAPÍTULO IV: RESULTADOS Y DISCUCION

CALCULO DEL TAMAÑO DE MUESTRA: Muestreo por Conglomerados. Dada que la población en estudio es finita, es decir conocemos el total de la población y deseamos saber cuántos del total tendremos que estudiar la respuesta seria:

Donde: N = Total de la Población

Za2 =1.962 (si la seguridad es del 95%) P = proporción esperada (en este caso 5% = 0.05) q = 1-p (en este caso 1-0.05 =0.95) d = precisión (en este caso deseamos un 4.85%=0.0485)

n=62.13

Siendo mayor a 30 entonces n=n’

La muestra a tomar será 52 viviendas. Una vez obtenida el tamaño de la muestra se pasara a la selección de los lotes de las manzanas en estudio hasta llegar a las 52 viviendas. El método por conglomerados nos permite escoger las 52 viviendas de manera aleatoria, tal y como se muestra a continuación:

VIVIENDAS SELECCIONADAS MEDIANTE MUESTREO POR CONGLOMERADOS

Y

X

W

A'

A2

V

U B2

Z

B' T

C'

D'

LEYENDA Viviendas de 1º nivel Viviendas de 2º nivel Viviendas de 3º nivel

CONSUMO DIARIO Luego se procederá a evaluar el consumo de los días en los que se hicieron las lecturas de los medidores. Procedimiento: Se restara la lectura del día “n” menos la lectura del día “n+1”.

Las unidades del consumo son m3/seg. DOTACION PROMEDIO MENSUAL Después de hallar el consumo diario se procederá a hallar la dotación promedio mensual. Procedimiento: Se sumaran los consumos diarios de cada mes y se dividirá en el número de días en los que se realizaron los consumos diarios.

Promedios Mensuales de las Dotaciones de cada Vivienda Mz T U

V

W

X

Z

A'

B'

C'

D'

4 3 3 5 6 3

MARZO 187.50 82.74 131.31 47.51 55.56 120.36

ABR 92.75 90.62 136.53 40.16 58.89 139.24

MAY 80.46 78.62 118.44 34.84 51.09 120.79

DOTACION JUN 120.97 64.08 143.62 33.87 60.22 120.09

JUL 102.94 61.32 121.80 34.70 58.33 119.05

AGO 257.14 24.17 102.61 33.14 61.31 92.19

SET 59.21 20.56 91.53 37.97 48.25 214.21

14 16 3 6 9 12 17 18 20 8 15 22 24 25 31 37 22

4 2 3 4 5 2 8 4 3 2 1 4 4 4 4 4 4

187.00 152.78 103.09 27.71 40.91 158.08 167.56 97.10 150.93 186.81 63.78 154.58 129.86 90.53 109.61 75.82 49.01

149.93 191.39 102.98 48.43 90.39 140.92 184.52 79.26 184.70 180.11 69.64 183.28 94.22 82.53 46.97 88.19 41.39

130.07 166.03 89.34 42.02 78.41 122.25 160.07 68.76 160.23 156.25 60.42 159.00 81.74 71.59 40.74 76.50 35.91

119.56 145.16 99.38 59.06 74.48 95.08 195.21 56.32 219.65 144.02 59.84 139.85 87.22 76.11 50.06 78.27 17.85

112.26 73.53 91.22 35.91 62.46 99.74 181.82 56.91 210.51 153.29 60.26 121.32 77.75 77.65 44.10 73.63 12.29

103.69 76.79 102.54 76.42 114.36 93.98 186.19 53.23 158.43 82.66 41.61 128.31 80.35 75.20 114.19 70.50 60.07

121.01 65.79 97.98 80.45 43.07 63.47 164.07 51.97 95.44 81.95 38.16 125.29 86.39 75.13 69.04 66.58 49.76

25

3

108.26

119.54

103.70

110.47

104.47

109.89

129.54

28 2 3 4 5 6 12 15 18 4 7 15 16 1

6 5 4 1 3 4 4 5 4 2 4 4 2 5

178.87 63.62 148.68 83.11 88.22 161.98 118.94 75.47 72.90 144.43 107.82 60.57 41.67 34.41

164.15 38.21 228.55 57.64 123.58 219.43 136.28 71.71 89.47 440.31 106.92 76.43 150.17 72.44

142.40 33.15 198.27 50.00 107.20 190.36 118.23 62.21 77.61 381.98 92.75 66.30 130.27 62.84

106.61 24.72 156.00 44.55 87.05 123.37 45.51 55.77 90.64 272.16 107.79 56.67 80.65 66.50

98.38 24.71 102.53 3.65 98.68 120.32 45.27 55.08 90.73 262.04 126.88 42.74 58.82 78.27

114.44 42.48 107.03 33.89 123.89 122.60 85.95 57.61 75.62 260.96 87.98 41.21 39.29 48.63

216.30 54.88 98.96 32.37 171.54 119.30 90.66 66.20 72.24 251.26 99.30 69.18 26.32 57.84

15 3 4 19 2

4 4 5 3 4

60.15 87.89 162.45 152.06 139.74

71.05 93.63 109.99 131.46 145.74

61.63 81.23 95.42 114.05 126.43

71.59 79.15 104.85 93.46 154.52

66.03 61.20 110.48 115.16 160.28

68.29 37.18 89.41 96.70 141.64

71.80 48.25 74.66 114.07 178.45

7 9 13 17 19 27 30 32

6 5 5 2 2 3 4 5

101.44 80.18 97.23 28.94 188.47 161.53 136.38 278.73

91.00 76.96 93.98 41.32 186.20 148.91 124.42 310.18

78.95 66.76 81.53 35.84 161.53 129.19 107.94 269.09

67.34 48.99 64.32 45.15 130.15 134.08 134.53 142.07

66.15 53.13 39.61 147.90 119.22 150.78 137.48 145.91

66.24 39.25 23.91 364.64 208.70 144.17 139.81 171.72

75.67 68.60 63.34 146.42 178.55 149.35 138.38 174.43

Lt

HAB.

20 31 34 8 11 6

RESULTADO S DOTACION PROMEDIO MENSUAL 140.00 121.37 120.00

112.17

105.29 96.85

100.00

92.85

100.19

95.56

80.00 DOTACION PROMEDIO MENSUAL

60.00 40.00 20.00 0.00 MARZO

ABR

MAY

JUN

JUL

AGO

SET

INTERPRETACION: Como se aprecia en el grafico la mayor dotación de agua se dio en el mes de abril siendo la dotación de 121.37 Lt/Hab/dia y la dotación mínima se dio en el mes de Julio del año 2011 con un promedio de 92.85 Lt/Hab/dia. *Estas dotaciones promedios serán preliminares ya que el estudio de la data deberá hacerse a todos los datos de la misma, y así se podrá analizar la desviación estándar de data en estudio.

ANALISIS DE LA DATA EN ESTUDIO: La data obtenida será sometida a un análisis descriptivo. DISTRIBUCION DE FRECUENCIAS. Para elaborar un cuadro de distribución de frecuencias de las dotaciones promedias mensuales, es necesario conocer los siguientes valores:

TABLA DE DISTRIBUCION DE FRECUENCIAS N° Intervalo

Li

-

Ls

Xi

fi

Fi

hi

Hi

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

3.65 47.32 91.00 134.68 178.35 222.03 265.71 309.38 353.06 396.74

-

47.31 90.99 134.67 178.34 222.02 265.70 309.37 353.05 396.73 440.40

25.48 69.16 112.83 156.51 200.19 243.86 287.54 331.22 374.89 418.57

47 135 93 53 24 5 3 1 2 1 364

47 182 275 328 352 357 360 361 363 364

12.91% 37.09% 25.55% 14.56% 6.59% 1.37% 0.82% 0.27% 0.55% 0.27%

12.91% 50.00% 75.55% 90.11% 96.70% 98.08% 98.90% 99.18% 99.73% 100.00% Sumatoria

Dotaciones de Agua en Villa María ENACE según Muestra de 52 Viviendas Durante 7 Meses.

DIAGRAMA DE SECTORES 0.27% 0.82% 1.37%

0.55% 0.27%

1 2

6.59%

12.91%

3 4

14.56%

5 6 37.09% 25.55%

7 8 9 10

ESTIMACIÓN POR INTERVALOS DE CONFIANZA. Teniendo en consideración que el coeficiente de desviación estándar es mayor a 30% la media no es confiable, y teniendo en cuenta la naturaleza de nuestra data muestral, es conveniente y más seguro asignarle un intervalo de confianza donde se mantenga la dotación estimada.

Donde:

Interpretación: La Dotación Promedio Real varía entre 97.62 Lt/Hab/dia y 109.56 Lt/Hab/dia con una confianza de 95%.

CAPITULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES: 1. El valor de la dotación actualmente usada en los diseños de sistemas de agua potable (220 Lt/Hab/día) es elevado en comparación de la dotación estimada en éste proyecto, por ende se estaría sobredimensionando las redes de agua potable debido a que fueron diseñadas o están siendo diseñadas con valores que hasta duplican la dotación estimada mediante registros reales y cálculos estadísticos. 2. Al tener consumos reales menores que los valores utilizados en los diseños de sistemas de agua potable, se concluye que se tendría un excedente de agua el cual se estaría desperdiciando, lo que podría evitarse si se lograra hacer estudios estadísticos de la dotación y el consumo de una población durante la etapa de diseño de un proyecto.

3. Si el valor de la dotación obtenida en éste proyecto se aplicara en diseños de sistemas de agua potable, se tendría un mejor aprovechamiento del recurso hídrico, y de ésta manera no se estaría cayendo en sobredimensionamientos a causa de valores tomados en base a parámetros limitados. 4. En la investigación realizada se obtuvo una dotación de agua promedio diaria real por habitante que varía entre 97.62 Lt/Hab/dia y 109.56 Lt/Hab/dia con una confianza de 95%; siendo el promedio estándar de 103.59 Lt/Hab./día. Este valor representa el 49.8 % de la dotación de agua promedio diaria anual por habitante que establece la Norma OS 100 para una zona cálida, similar a la zona de estudio.

5. El análisis estadístico de los datos de la muestra nos indica que el 50% de habitantes consume una dotación de 90.99 Lt/Hab./dia y que la dotación que más se repite es 76.88 Lt/Hab./día. De igual modo se concluye que, las dotaciones de agua promedio diaria se dispersan alrededor de la media en 58.1167 Lt/Hab./día y que la dispersión de la data de la muestra es muy grande alcanzando el 0.561, siendo el valor obtenido del promedio no muy confiable y representando la mediana de 90.99 Lt/Hab./dia un mejor valor de la dotación diaria.

RECOMENDACIONES: 1. Durante la elaboración de un proyecto de sistema de agua potable, es necesario contar con registros de dotaciones reales de la zona o de zonas similares a las del proyecto a ejecutar, para poder obtener una dotación que vaya más acorde con el tipo de población o con el tipo de proyecto y evitar excesos o sobredimensionamientos en los diseños que se realicen. 2. La presente investigación se puede ampliar a un periodo más largo de medición y observación del consumo diario de las viviendas, a fin de obtener con mayor certeza la variación estacional del consumo y por ende de la dotación. 3. Luego de realizar el muestreo de las viviendas, es necesario efectuar una encuesta a sus habitantes para obtener datos como número de habitantes, utilización del agua, área de la vivienda y otros factores resaltantes que influyan o sean determinantes para el consumo de agua potable.

4. Es importante realizar la toma de datos en horarios de no racionalización del agua potable, ya que de ésta manera se evita caer en error durante las mediciones.

5. Si durante la recolección de datos existen irregularidades ajenas al factor de error humano durante la toma de medidas de algunas viviendas seleccionadas, se deberá optar por descartar esa vivienda ya que alteraría los resultados finales para la estimación de la dotación de agua potable.

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