Abastecimiento de Agua

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO – PUNO FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

TRABAJO ENCARGADO CURSO: ABASTECIMIENTO DE AGUA Y ALCANTARILLADO TEMA: ABASTECIMIENTO DE AGUA PRESENTADO POR: o VELARDE DEL CASTILLO, Abel Darwin CODIGO

: 051608

SEMESTRE : VII PUNO

PERÚ 2010

DEDICATORIA

A mi madre y hermanos por ser autores de formación con sus constantes críticas constructivas hacia mi persona

AGRADECIMIENTO

Agradezco al Ingeniero del curso de “Abastecimiento de Agua y Alcantarillado” Ing. FERNÁNDEZ SILA, Néstor Guillermo por sus enseñanzas y conocimientos vertidos hacia sus alumnos con una gran labor y dedicación.

INDICE INTRODUCCION......................................................

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1. GENERALIDADES.................................................. 1.1 normatividad sobre obras de saneamiento.................. 1.2 sistemas de agua potable en el área urbana y rural.......

3 4 4

2. POBLACIÓN DE DISEÑO Y DEMANDA DE AGUA.......................... 6 2.1 periodo de diseño........................................ 7 2.2 determinación del periodo de diseño...................... 8 2.3 estudios de población.................................... 10 2.4 cálculo de la población futura........................... 12 3. DOTACIÓN CONSUMO Y ALMACENAMIENTO.............................. 3.1 dotación de agua......................................... 3.2 variaciones de consumo................................... 3.3 variaciones diarias...................................... 3.4 variaciones horarias..................................... 3.5 consumo industrial y comercial........................... 3.6 volúmenes de regulación..................................

13 14 14 15 16 17 17

4. FUENTES DE ABASTECIMIENTO Y CAPTACION.......................... 4.1 fuentes de abastecimiento................................ 4.2 tipos de sistema......................................... 4.3 manantiales..............................................

23 24 25 25

5. LÍNEA 5.1 5.2 5.3

DE CONDUCCIÓN............................................ líneas de conducción..................................... criterios para el diseño................................. posición de tuberías en relación a la línea de carga.....

32 33 33 36

6. RED DE DISTRIBUCIÓN............................................ 6.1 sistema de alimentación.................................. 6.2 sistema de las redes..................................... 6.3 presiones máximas y mínimas.............................. 6.4 calculo de una red de circuitos cerrados.................

41 42 43 44 45

7. MEMORIA DE CÁLCULO............................................. 47 8. ANEXOS......................................................... 61 9. BIBLIOGRAFIA................................................... 73

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INTRODUCCIÓN “Lo complejo de un sistema de abastecimiento de agua implica un conocimiento conceptual en aspectos de hidrología, hidráulica y saneamiento ambiental, y requiere, en algunas de sus partes, del apoyo del concreto armado y de la resistencia de materiales, que hacen de esta materia un acopio de variados aspectos de ingeniería, con soluciones diversas. En el estudio de las variadas alternativas, intervienen también criterios diversos que conjugan los aspectos técnicos con los privativos, bajo el punto (1) de vista de la”

--------------------------------------1. AROCHA RAVELO, Simón “Abastecimiento de agua” Ediciones VEGA s.r.l. Caracas, 1980. Pág.

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I GENERALIDADES

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1.1 NORMATIVIDAD SOBRE OBRAS DE SANEAMIENTO El Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE) en el titulo II, numeral II.3 OBRAS DE SANEAMIENTO presenta las normas OS desde la 010 hasta la 100, donde especifica los requerimientos mínimos y alcances técnicos para los proyectos de agua potable y alcantarillado. 1.2 SISTEMAS DE AGUA POTABLE EN EL AREA URBANA Y RURAL 1.2.1 Sistemas de agua potable urbanos Los sistemas de abastecimiento de agua potable están conformados por una o varias captaciones, planta de tratamiento, tuberías de conducción y/o impulsión, reservorios y red de distribución de agua. En la siguiente figura mostramos esquemáticamente los componentes principales de un sistema de abastecimiento de agua potable.

Fig. 1Esquema de un sistema de agua potable

El objetivo del servicio de agua potable es suministrar una cantidad de agua apropiada y de buena calidad, con presión suficiente y en forma continua. Se denomina a la cantidad domestico dotación y se expresa l/h/d. La dotación varía mucho socio-económico, disponibilidad y

media anual de consumo de agua en litros por habitante por día: con el clima, costumbres, nivel costos del agua.

Existe un consumo muy importante que corresponde a las pérdidas de agua existentes por falta de conservación y mantenimiento de los sistemas, conexiones clandestinas, fugas, reboses, consumos operacionales excesivos, y una estimación prudente es que este valor es del orden de un 50% o más respecto al consumo total. En general, un servicio bien administrado y con un programa de control de perdidas, en el mediano plazo puede llegar a rebajar las perdidas a una cifra entre 10 y 20%. La economía es evidente y muchos países de la Región están haciendo progresos en esta materia. Estructura del sistema, las captaciones, tratamientos y conducciones en los sistemas de agua potable se diseñan para una población futura, generalmente a 10 o 20 años de plazo. El dimensionamiento se basa en esta población prevista y el consumo

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máximo diario por habitante, que varia con las características locales, puede ser entre un 20 y un 50% superior a la dotación. Durante el año son usuales los cambios climáticos y también hay otros factores que hacen variar los patrones de consumo de agua para la comunidad. En un periodo de verano y antes que comiencen las vacaciones escolares, es muy probable que se presenten periodos y horas con los consumos máximos. Esto obliga al servicio a satisfacer estas demandas incrementadas. El consumo máximo horario es el criterio para dimensionar la red de distribución y ciertas conducciones que entregan agua a partir del estanque. Ahora bien, el estanque tiene como rol proveer el caudal máximo durante las horas de máximo consumo del día de más alto uso de agua más un volumen para emergencias. Algunos criterios para dimensionarlo se estiman entre 0,5 y 2 veces el consumo promedio. A esto hay que agregar las eventualidades: incendio y suspensiones de servicio por diferentes razones. Al interior de los domicilios, instituciones, industrias y cualquier clase de establecimiento, habrá instalaciones de distribución de agua potable conectadas a la red pública. A la entrada, la conexión a la red tendrá un medidor de consumos, el cual es el elemento principal que permite el cobro del servicio. 1.2.2 Sistemas de agua potable rural En el Perú en la década de los 90 se incrementaron los programas de abastecimiento de agua potable y saneamiento en el medio rural, estableciéndose programas de apoyo social y de cooperación técnica por parte del estado. Estos programas han sido hasta hoy insuficientes puesto que los niveles de servicio alcanzados en muchos departamentos del país son mínimos. Las soluciones se han basado en sistemas de agua potable por gravedad, con una captación en lo posible de aguas subterráneas (manantiales), para disponer agua de mejor calidad e instalaciones dimensionadas de acuerdo al consumo. Especial atención se ha dado a la participación comunitaria: durante la planificación y construcción y posteriormente, en la operación y mantenimiento del sistema. Los mismos esquemas han sido aplicados para los sistemas de agua potable individuales o para grupos de viviendas, también tratando de usar aguas subterráneas por medio de pozos con bombas de mano, construidos con maquinas perforadoras o manualmente, o captando de manantiales; generalmente las redes de distribución son abiertas o ramificadas y con piletas públicas. (2)

--------------------------------------2. FERNÁNDEZ SILA, Néstor Guillermo “Abastecimiento de agua” Puno, Pág. 9

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II POBLACIÓN DE DISEÑO Y DEMANDA DE AGUA

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Un sistema de abastecimiento de agua está constituido por una serie de estructuras presentando características diferentes, que serán afectadas por coeficientes de diseño distintos en razón de la función que cumplen dentro de un sistema. Por tanto, para su diseño es preciso conocer el comportamiento de los materiales bajo el punto de vista de su resistencia física a los esfuerzos y los daños a que estarán expuestos, así como desde el punto de vista funcional su aprovechamiento y eficiencia, para ajustarlos a criterios económicos.(3) 2.1 PERIODO DE DISEÑO El periodo de diseño, es el tiempo en el cual se considera que el sistema funcionara en forma eficiente cumpliendo los parámetros, respecto a los cuales se ha diseñado determinado sistema. Por tanto el periodo de diseño puede definirse como el tiempo en el cual el sistema será 100% eficiente. El periodo de diseño, tiene factores que influyen la determinación del mismo, entre los cuales podernos citar: 2.1.1 Durabilidad de los materiales La vida útil de las estructuras dependerá de la resistencia física del material que la constituye a factores adversos por desgaste u obsolescencia. Todos los materiales empleados en la implementación de un sistema de abastecimiento de agua, tienen diferentes “vidas útiles”, así por ejemplo, las obras de concreto armado, se deprecian en 50 años y una bomba tiene una vida útil media de 10 anos. Esta disparidad en la vida útil de los diferentes componentes de un sistema de agua potable, hace que la determinación de un periodo de diseño uniforme no sea factible con esta consideración. 2.1.2 Ampliaciones futuras Como un sistema de agua, puede en algunos casos demandar fuertes inversiones, a veces se propone construir los mismos por etapas. Estas etapas de construcción, dependen de los aspectos financieros y de la factibilidad que se tenga en su implementación. Todo esto, hace que las etapas iníciales, deben tomar en cuenta las etapas posteriores, a fin de fijar un periodo de diseño en conformidad con las futuras. 2.1.3 Crecimiento o decrecimiento Poblacional El crecimiento y/o decrecimiento poblacional factores económicos, sociales y de desarrollo.

es

función

de

Un sistema de abastecimiento de agua debe propiciar y generar desarrollo, no de frenarlo. Esto nos permite señalar que de acuerdo a las tendencias de crecimiento, es conveniente elegir periodos de diseño más largos para crecimientos lentos y periodos de diseño cortos para crecimientos rápidos. 2.1.4 Capacidad económica para la ejecución de obras Las razones de durabilidad y resistencia al desgaste físico es indudable que representa un factor importante para el mejor diseño, --------------------------------------3. AROCHA RAVELO, Simón “Abastecimiento de agua” Ediciones VEGA s.r.l. Caracas, 1980. Pág. 3

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pero Adicionalmente se harán estimaciones de interés y de costo capitalizado para aprovechar útilmente la inversión hecha. La determinación de la capacidad del sistema de abastecimiento de agua de una localidad debe ser dependiente de su costo total capitalizado. Generalmente los sistemas de abastecimiento se diseñan y construyen para satisfacer una población mayor que la actual, es decir con una población futura. El R.N.E. recomienda que en la determinación del periodo de diseño se utilice procedimientos que garanticen los periodos óptimos para cada componente de los sistemas. 2.2 DETERMINACIÓN DEL PERIODO DE DISEÑO Considerando los factores anteriormente descritos se hará un análisis de la vida útil de las estructuras e instalaciones que se tiene previsto proyectar en los proyectos, y además viendo la realidad de las zonas de estudio se deben determinar para cada componente su periodo de diseño; esto se puede realizar en cuadros considerando el componente y su valor adoptado, para luego determinar el promedio de la vida útil adoptando así un periodo de diseño para el conjunto de obras. (4) 2.2.1 Rango de valores Tomando en consideración los factores señalados se debe establecer para cada caso el periodo de diseño aconsejable. A continuación se indican algunos rangos de valores asignados a los diversos componentes de los sistemas de abastecimientos de agua. a. Fuentes superficiales -

Sin regulación: Deben proveer un caudal mínimo para un periodo de 20 a 30 años. Con regulación: Las capacidades de embalse deben basarse en registros de escorrentía de 20 a 30 años.

b. Fuentes subterráneas El acuífero debe ser capaz de satisfacer la demanda para una población futura de 20 a 30 años, pero su aprovechamiento puede ser por etapas, mediante la perforación de pozos con capacidad dentro de periodos de diseño menores a 10 años. c. Obras de captación Dependiendo de la magnitud e importancia de la obra se podrá utilizar periodos entre 20 y 40 años. -

Diques-tomas Diques-represas

15-25 años 30-50 años

--------------------------------------4. FERNÁNDEZ SILA, Néstor Guillermo “Abastecimiento de agua” Puno, Pág. 13

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d. Estaciones de bombeo Se entiende por estación de bombeo a los edificios. Equipos, bombas, motores, accesorios, etc. -

-

A las bombas y motores, con una durabilidad relativamente corta y cuya vida se acorta en muchos casos por razones de un mantenimiento deficiente, conviene asignarles periodos de diseño entre 10 y 15 años. Las instalaciones y edificios pueden ser diseñados, tomando en cuenta las posibilidades de ampliaciones futuras y con periodos de diseño de 20 a 25 años.

e. Líneas de aducción Dependerá en mucho de la magnitud, diámetro, dificultades de ejecución de obra, costos, etc. Requiriendo en algunos casos un análisis económico. En general, un periodo de diseño aconsejable está entre 20 y 40 años. f. Plantas de tratamiento Generalmente se d flexibilidad para desarrollarse por etapas, lo cual permite estimar periodos de diseño de 10 a 15 años, con posibilidades de ampliaciones futuras para periodos similares. g. Estanques de almacenamiento -

De concreto Metálicos

30-40 años 20-30 años

Los estanques de concreto permiten también su construcción por etapas, por lo cual los proyectos deben contemplar la posibilidad de desarrollo parcial. h. Redes de distribución Las redes de distribución deben diseñarse para el desarrollo del área que sirven. Generalmente se estiman de diseño de 20 años, pero cuando la magnitud de la justifique estos periodos pueden hacerse mayores: 30 a 40

completo periodos obra lo años.

i. Obras de arte y demás equipos y accesorios que conformen el sistema Se les asignara periodos de diseño de acuerdo a su función y ubicación respecto a los componentes del sistema que los contiene. (5)

--------------------------------------5. AROCHA RAVELO, Simón “Abastecimiento de agua” Ediciones VEGA s.r.l. Caracas, 1980. Pág. 13

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2.3 ESTUDIOS DE POBLACIÓN En todo Proyecto de abastecimiento de agua potable uno de los parámetros importantes que debe evaluarse es la población actual y futura. En el Perú, el organismo estatal encargado de llevar los datos oficiales acerca del crecimiento poblacional es el Instituto Nacional de Estadística e Informática INEI (http://www.inei.gob.pe), cuyos datos abarcan a todo el país. Se cuenta con datos censales desde 1836, hasta el 2005 y que mostramos en el cuadro 2.1 CUADRO I RESULTADOS OBTENIDOS EN LOS CENSOS NACIONALES DE POBLACION Y VIVIENDA DESDE 1836

HABITANTES

VIVIENDAS

AÑO

CENSO NACIONAL

Incremento Incremento Número de Intercensal Número de Intercensal (%) (%)

1836

I de Población

1 373,736

-

-

-

1850

II de Población

2 001,203

45.7

-

-

1862

III de Población

2 487,916

24.3

-

-

1876

IV de Población

2 699,106

8.5

-

-

1940

V de Población

7 023,111

160.2

-

-

1961

VI de Población y I de Vivienda

10 420,357

48.4

1 985,859

-

VII de Población y II 14 121,564 de Vivienda

35.5

3 014,844

51.8

17 762,231

25.8

3 651,976

21.1

1993

IX de Población y IV 22 639, 443 de Vivienda

27.5

5 099,592

39.6

2005

X de Población y V de 27 219, 264 Vivienda

20.2

7 271,387

42.6

1972 1981

VIII de Población y III de Vivienda

Fuente: INEI

Es necesario tener en cuenta que el incremento poblacional de 160.2 % entre el cuarto y el quinto Censo de Población, se explica por el tiempo transcurrido entre la ejecución de uno y otro, que es de 64 años. Es conocido que en el Perú, después de 1879, año de la Guerra del Pacífico, las condiciones del país, especialmente en cuanto a su situación económica, no le permitió asignar fondos para la realización de los Censos Nacionales. El crecimiento demográfico en las poblaciones, se debe a los siguientes factores: La tasa de natalidad, la tasa de mortalidad y las migraciones. Las dos primeras, constituyen el crecimiento vegetativo. Es muy raro encontrar estos factores sobretodo en poblaciones rurales, en caso de utilizar los mismos el método desarrollado se conoce con el nombre de crecimiento poblacional por método de las componentes. El crecimiento poblacional, está íntimamente ligado al tamaño del proyecto y por tanto, al periodo de diseño que se analice. Debido

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a factores imprevisibles, una población no puede ser extrapolada con seguridad a más de 20 años, pues durante periodos más largos, podrían ocurrir fenómenos de crecimiento que distorsionen en alto grado la magnitud del proyecto que se vaya a adoptar. Crecimiento por componentes Tasa Natalidad Tasa Mortalidad

Tasa Vegetativa de crecimiento

Tasa de crecimiento poblacional

Tasa Migración La Tasa de Crecimiento poblacional es el aumento (o disminución) de la población por año en un determinado período debido al aumento natural y a la migración neta, expresado como porcentaje de la población del año inicial o base. La Tasa Vegetativa de crecimiento es simplemente los nacimientos menos las defunciones. Si hay más defunciones que nacimientos obtendremos un número negativo, o dicho de otro modo, en lugar de ganar población se pierde. La Tasa de Natalidad es número de niños nacidos vivos en un año, expresado como porcentaje de la población o por cada 1000 personas; y la tasa bruta de natalidad es el cociente entre el número de nacimientos ocurridos durante un periodo determinado (generalmente un año calendario) y la población media del mismo periodo. La Tasa de Mortalidad es número de defunciones ocurridas en un año, como porcentaje de la población o por cada 1.000 personas; y la tasa bruta de mortalidad es el cociente entre el número de defunciones de todas las edades ocurridas en un periodo determinado (generalmente un año calendario) y la población estimada a mitad del mismo periodo. La Tasa de Migración es el cociente entre el saldo neto migratorio de un periodo (inmigrantes menos emigrantes) y la población estimada a mitad del mismo periodo. Población (P) Hipótesis Alta Hipótesis Media

Hipótesis Baja

Tiempo (t)

FIG. 2 CRECIMIENTO POBLACIONAL SEGÚN HIPÓTESIS ASUMIDA

Para proyectar la población, la elección final del método depende, de la experiencia del proyectista y del conocimiento que se tenga acerca de las condiciones Socio-Económicas y características de salud de la población, de esta manera se puede tomar una tasa de crecimiento con diferentes hipótesis, las cuales pueden ser altas, medias y bajas según los datos que se tengan ya sea del INEI, de las municipalidades, de las regiones, etc.

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En la figura 2. Mostramos el crecimiento considerando diferentes hipótesis de diseño

de

una

población

2.4 CÁLCULO DE LA POBLACIÓN FUTURA Para el cálculo de la población futura se podrá utilizar uno de los siguientes métodos de crecimiento, según el tipo de población, dependiendo de las características socio-económicas de la población. 2.4.1 Método Lineal Esta dada por la fórmula

Pf  Po · 1  r · t  2.4.3 Método de Wappaus Esta dada por la fórmula:

 200  i · t   Pf  Po ·   200  i · t  2.4.5 Método exponencial Esta dada por la fórmula:

Pf  Po e

it 100

En las expresiones indicadas anteriormente se tienen: Pf = Población futura (hab) Po = Población inicial de referencia (hab) r = Tasa anual de crecimiento (%) T = Periodo de diseño, a partir del año dato para la población inicial (años) i = Índice de crecimiento anual (%) e = Base de los logaritmos neperianos (6) 2.4.6 Regresión polinomial

(7)

Esta dada por la fórmula: n

b0 n n

n

n

 b1  x i    bk  x ik i 1

i 1

n

n

  yi i 1 n

b0  x i  b1  xi2    bk  x ik 1   x i y i i 1

i 1

 n

i 1

 n

ecuaciones

normales 

i 1

 n

 n

b0  x ik  b1  x ik 1    bk  x i2 k   x ik y i i 1

i 1

i 1

i 1

--------------------------------------6. FERNÁNDEZ SILA, Néstor Guillermo “Abastecimiento de agua” Puno, Pág. 14 7. GARCÍA ORE, celestino “Distribuciones multivariadas, regresión y correlación” Ediciones UNI. Lima, 1992. Pág. 203

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III DOTACIÓN CONSUMO Y ALMACENAMIENTO

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La dotación o la demanda per cápita, es la cantidad de agua que requiere cada persona de la población, expresada en l/hab/día. Conocida la dotación, es necesario estimar el consumo promedio diario anual, el consumo máximo diario, y el consumo máximo horario. El consumo promedio diario anual, servirá para el cálculo del volumen del reservorio de almacenamiento y para estimar el consumo máximo diario y horario. El valor del consumo máximo diario es utilizado para el cálculo hidráulico de la línea de impulsión mientras que el consumo máximo horario, es utilizado para el cálculo hidráulico de la línea de aducción, red de distribución, gastos contra incendio y redes de alcantarillado. 3.1 DOTACION DE AGUA La dotación media diaria por habitante es la media de los consumos registrados durante un año. Para el caso de ampliación, incorporación o cambio de los componentes de un sistema, la dotación media diaria deberá ser fijada en base al análisis y resultados de los datos de producción y consumo del sistema. Dicho análisis debe considerar los efectos de consumo restringido cuando la disponibilidad de agua no llegue a cubrir las demandas de la población. El RNE indica si no existieran estudios de consumo y no se justificara su ejecución, se considerara en sistemas con conexiones domiciliarias una dotación siguiente: Clima frío Clima Templado y Cálido

180 l/hab/d 220 l/hab/d

En programas de vivienda con lotes de área menor o igual a 90 m2, las dotaciones serán: Clima frío Clima Templado y Cálido

120 l/hab/d 150 l/hab/d

Para sistemas de abastecimiento indirecto por surtidores para camión, o piletas públicas se considera las siguientes dotaciones: Clima frío Clima Templado y Cálido

30 50

l/hab/d l/hab/d

Para habilitaciones industriales se justificara el estudio de acuerdo a los procesos existentes, y en habilitaciones comerciales se aplicara la norma IS.010 Instalaciones sanitarias para edificaciones. 3.2 VARIACIONES DE CONSUMO El RNE, recomienda que los valores de las variaciones de consumo referidos al promedio diario anual deban ser fijados en base a un análisis de información estadística comprobada. Si no existieran los datos, se puede tomar en cuenta lo siguiente: - Máximo anual de la demanda Diaria - Máximo anual de la demanda horaria

1.3 1.8 a 2.5

En general la finalidad de un sistema de abastecimiento de agua es la de suministrar agua a una comunidad en forma continua y con presión suficiente a fin de satisfacer razones sanitarias, sociales, económicas y de confort, propiciando así su desarrollo.

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Para lograr tales objetivos, es necesario que cada una de las partes que constituyen el sistema esté satisfactoriamente diseñada y funcionalmente adaptada al conjunto. Esto implica el conocimiento cabal del funcionamiento del sistema de acuerdo a las variaciones en los consumos de agua que ocurrirán para diferentes momentos durante el período de diseño previsto. Los consumos de agua de una localidad muestran variaciones estaciónales, mensuales, diarias y horarias. Estas pueden expresarse en función (%) del Consumo Medio (Qm). Consumo promedio diario anual Ello nos permite definir el Consumo promedio diario como el promedio de los consumos diarios durante un año de registros expresado en [l/s]. Así mismo, definimos Consumo Máximo Diario, como el día de máximo consumo de una serie de registros observados durante un año y se define también el Consumo Máximo Horario, como la hora de máximo consumo del día de máximo consumo. El consumo promedio diario, se define como el resultado de una estimación del consumo per cápita para una población futura expresado en litros por segundo (Lt/seg), el cual se determina con la siguiente relación.

QP 

Pf · d 86400 seg / día

Qp = Consumo promedio Pf = Población futura d = dotación 3.3 VARIACIONES DIARIAS Varía durante el año, en función de las condiciones climatológicas y los hábitos de la población, es así en los días de una semana se dan consumos máximos y mínimos, como tenemos los consumos máximos en los días sábado, domingo, lunes. La Figura 3 se muestra la curva de registro de los consumos de agua, para un determinado mes con un promedio en el consumo de 921 [lts/viv/día.]

FIG. 3 CURVA DE VARIACIONES DIARIAS DE CONSUMO REGISTRADA DURANTE UN MES

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- EL Consumo Máximo Diario (Qmd) Es el día de máximo consumo de una serie de observados durante los días del año

registros

Q md  k1 · Q P Según el RNE el máximo anual de la demanda diaria es igual a 1.3 3.4 VARIACIONES HORARIAS Durante un día cualquiera, los consumos de agua de una comunidad presentarán variaciones hora a hora dependiendo de los hábitos y actividades de la población. Teniéndose horas de máximo y mínimo consumo según el clima de la población, básicamente en nuestro medio se tiene un consumo máximo alrededor del medio día. Para visualizar mejor la variación mostramos un sistema de coordenadas cartesianas Figura 4, observándose una curva de variaciones de consumo, con 2 picos bien definidos al comienzo de las actividades del mediodía y en horas de la tarde. Este registro pertenece a un clima típico cálido

FIG. 4 ESQUEMA DE UNA CURVA DE VARIACIONES HORARIAS

- EL Consumo Máximo Horario (Qmh) Se define como la hora de máximo consumo las 24 horas del día.

Q mh  k 2 · Q P Según el RNE el máximo anual de la demanda horaria comprende valores entre 1.8 – 2.5 Al respecto podemos indicar que en poblaciones donde el proyectista vea un franco crecimiento poblacional se asumirá el valor máximo y en poblaciones mayores donde se aprecie satura miento se asumirá el mínimo valor u otro según su análisis.

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3.5 CONSUMO INDUSTRIAL Y COMERCIAL Se analizará especialmente las necesidades y requisitos de cada caso, así como su incidencia en los consumos máximos horarios. Estos consumos deben ser diferenciados según zonas, ya que por lo general los mismos son característicos del tipo de asentamiento predominante en dichas zonas. 3.6 VOLUMENES DE REGULACION Los volúmenes de almacenamiento juegan un papel básico para el diseño del sistema de distribución de agua, tanto desde el punto de vista económico, así como por su importancia en el funcionamiento hidráulico del sistema y en el mantenimiento de un servicio eficiente. Un reservorio o llamado también estanque de almacenamiento cumple tres propósitos fundamentales: 1)

Compensar las variaciones durante el día.

de

los

consumos

que

se

producen

2) Mantener las presiones adecuadas en la red de distribución. 3) Mantener almacenada cierta cantidad de agua para atender situaciones de emergencia tales como incendios e interrupciones por daños de tuberías de aducción o de estaciones de bombeo. Dependiendo de la topografía se hace indispensable separar la zona (alta, media, baja) para mantener las presiones en cada red, dentro de límites admisibles. Esta separación de redes puede hacerse mediante estanques o mediante válvulas reguladoras de presión. En el RNE viene considerado estos aspectos en la norma OS.030 Almacenamiento de Agua para Consumo Humano donde señala los requisitos mínimos que debe cumplir el sistema de almacenamiento y conservación de la calidad del agua para consumo humano. 3.6.1 CAPACIDAD DEL SISTEMA DE ALMACENAMIENTO La capacidad del estanque, o del conjunto de tanques para el caso de grandes sistemas, será igual al volumen que resulte de las siguientes consideraciones: - Volumen de regulación. - Volumen de lucha contra incendios - Volumen de reserva 3.6.1.1 Volumen de regulación El sistema de almacenamiento previsto como regulación está destinado a proveer: - Suministro de agua en las horas de demanda máxima. - Presiones adecuadas en la red de distribución Según el RNE será calculado con el diagrama de masa correspondiente a las variaciones horarias de la demanda, y cuando no haya disponibilidad de información el volumen de regulación se debe considerar como mínimo el 25% del promedio anual de la demanda siempre que el suministro sea calculado para las 24 horas de funcionamiento y en otros casos se determinara

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de acuerdo al horario de suministro, en caso de bombeo al número y duración de los periodos de bombeo así como los horarios en los que se hallan previstos dichos bombeos. 3.6.1.2 Volumen contra incendios El RNE indica en caso de considerarse demanda contra incendio en un sistema de abastecimiento se asignara en el criterio siguiente: 50 m3 para áreas destinadas netamente a vivienda Para áreas destinadas a uso comercial e industrial se utilizara el grafico del anexo 1 de la norma OS.030 del RNE. Demanda Contra Incendio Para poblaciones menores a 10000 habitantes, no es recomendable y resulta antieconómico el proyectar sistema contra incendio. Se deberá justificar en los casos en que dicha protección sea necesaria. Para poblaciones mayores a 10000 habitantes se asume según las áreas destinadas, en caso de viviendas 15 l/s y de usos comerciales e industriales 30 l/s. 3.6.1.3 Volumen de reserva Ante la eventualidad de que en la línea de aducción puedan ocurrir daños que mantendrían una situación de déficit en el suministro de agua, ya sea mientras se hacen las reparaciones de los sistemas de toma, conducción, tratamiento y/o casos de falla de un sistema de bombeo, es aconsejable un volumen adicional que de oportunidad a restablecer la conducción de agua hasta el estanque. En tal caso se recomienda considerar un volumen equivalente a 4 horas de consumo correspondiente al consumo máximo diario (Qmd) 3.6.1.4 Volumen total El volumen total de almacenamiento resultará como la suma de los volúmenes de regulación, contra incendio y de reserva:

VT  V REG  V INC  V RES 3.6.2 DETERMINACION DEL VOLUMEN DE REGULARIZACION Generalmente el diseño ya sea en forma analítica o en forma gráfica se hace por periodos de 24 horas (1 día), el consumo de agua de las poblaciones se puede expresar como porcentajes horarios del caudal máximo diario (Qmd) a través de hidrogramas, que se determinan estadísticamente. Tomando en cuenta esta ley, el hidrograma de consumo de una población quedaría como se muestra en la figura 5

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160 140

CONSUMO

120 100 80 60

c

40 20 0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

HORAS VARIACION HORARIA FIG. 5 HIDROGRAMA DE CONSUMO DE UNA POBLACIÓN PEQUEÑA

3.6.2.1 Calculo Analítico El cálculo analítico lo considerando la figura 5, la la conocemos en función de máximo diario (Qmd), en esta entrada (suministro).

hacemos con ayuda de la tabla 2, ley de demanda o salida (consumo) porcentajes horarios del caudal misma forma se expresa la ley de

CUADRO 2. VOLUMENES DE REGULACION PARA EL CASO DE UN SUMINISTRO LAS 24 HORAS (Generalmente en sistemas por gravedad)

Horas De 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Demanda (Salidas) Diferencias Suministro Demanda acumuladas (entrada) horaria Diferencias Diferencias + máx. acumuladas déficit en % 100 45 55 55 160 100 45 55 110 215 100 45 55 165 270 100 45 55 220 325 100 45 55 275 380 100 60 40 315 420 100 90 10 325 430 100 135 -35 290 395 100 150 -50 240 345 100 150 -50 190 295 100 155 -55 135 240 100 140 -40 95 200 100 140 -40 55 160 100 140 -40 15 120 100 140 -40 -25 80 100 130 -30 -55 50

19

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL 16 17 18 19 20 21 22 23

17 18 19 20 21 22 23 24

100 100 100 100 100 100 100 100 2400

130 120 90 90 90 85 80 60 2400

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-30 -20 10 10 10 15 20 40

-85 -105 -95 -85 -75 -60 -40 0

20 0 10 20 30 45 65 105

En este caso el máximo déficit es de 105 (a): Tiempo en horas (b): Entrada o suministro al tanque al 100% del caudal de bombeo (Qmd), durante las 24 horas (c): Partiendo de variaciones horarias de consumo conocidas (d): (b) – (c) (e): Diferencias acumuladas resultantes de la suma algebraica de las diferencias de (d) (f): (e) + 105 En dicha tabla se aprecia que, para calcular el volumen, se suman los valores absolutos del máximo excedente y máximo déficit; 325 y 105. Esto se explica debido a que de las 0 a las 7 horas entra al tanque más agua de la que sale, por lo que se obtiene un porcentaje de acumulación máximo (máximo excedente); después de las 7 horas comienza a consumirse más agua de la que entra al tanque, por lo que empieza a hacerse uso de la que se tenía acumulada, situación que prevalece hasta las 14 horas en donde el tanque se llega a vaciar. A partir de esta hora existe un déficit: sale más de lo que entra y no se cuenta con un volumen en el tanque para cubrir el faltante. A las 18 horas se llega al momento más crítico (máximo faltante). De lo anterior, se ve la necesidad de contar con un volumen de agua en el tanque equivalente al máximo déficit. En la misma tabla se aprecia que adicionando el déficit (105) se pueden cubrir todas las demandas; entonces se suma este valor a la columna de diferencias de salidas o demandas. De esta manera se puede calcular el volumen del tanque: 3

1m   3600 s   1   s   Max excedente %  Max fal tan te % 1000 l   1h  100% 

Vol. Re s.  Qmd l





Donde: Vol. Res. = Volumen del reservorio en [m3] Qmd = Caudal máximo diario en [l/s] En nuestro ejemplo tenemos: 3

1m   3600 s   1   s    325 %   105 % 1000 l   1h  100% 

Vol . Re s.  Qmd l



Vol. Res. = 15.48Qmd (m3)



(8)

--------------------------------------8. FERNÁNDEZ SILA, Néstor Guillermo “Abastecimiento de agua” Puno, Pág. 25

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3.6.3 UBICACIÓN DEL RESERVORIO La ubicación del reservorio está determinada principalmente por la necesidad y conveniencia de mantener presiones en la red dentro de los límites de servicio, con lo que se logra una distribución con menores pérdidas de carga. Estas presiones en la red están condicionadas por la Norma OS.050 del RNE, donde indica lo siguiente: o

La presión estática no cualquier punto de la red

será

mayor

de

50

m.c.a.

o

En condiciones de demanda máxima horaria, dinámica no será mayor de 10 m.c.a.

o

En caso de abastecimiento por piletas la presión mínima será de 3.5 m.c.a. a la salida de la pileta.

la

en

presión

3.6.4 TIPOS DE RESERVOROS Los estanques de almacenamiento pueden ser construidos directamente sobre la superficie del suelo (tanques superficiales) o sobre torres (tanques elevados) 3.6.4.1 Tanques superficiales Se recomienda este tipo de tanques cuando lo permita la topografía del terreno, asegurando las presiones adecuadas en todos los puntos de la red. Estos tanques podrán ser de mampostería, hormigón simple o armado. Los estanques de concreto armado se construyen preferiblemente de dos o más celdas (de una sola celda para capacidades pequeñas). Puede hacerse el pre diseño seleccionando una relación h/L = 0.50 a 0.75, siendo “h” la altura y “L” el lado del cuadrado. En caso de diseñarse más de una celda, la capacidad total del estanque será dividida en celdas de capacidades iguales. Cuando los requisitos de capacidad sean grandes, en el diseño de los tanques superficiales debe tomarse en cuenta las siguientes recomendaciones: a) En tanques unitarios es recomendable colocar un paso directo (by-pass) que permita mantener el servicio mientras se efectúa el lavado o la reparación del tanque, con la debida consideración a la sobrepresión que pueda presentarse. b) Las tuberías de rebose descargarán mediante una interconexión a la tubería de desagüe la cual se conducirá a una descarga final lejos del tanque para no comprometer la estructura. c) Se instalarán válvulas de compuerta en todas las tuberías. El número mínimo será de cuatro, cada una de ellas irá ubicada en: o

la tubería ariete)

de

entrada

al

tanque

o

la tubería del by-pass

o

la tubería de salida del tanque

o

la tubería de desagüe (se deberá pendiente del fondo del tanque).

(prever

tener

el

en

golpe

de

cuenta

la

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d) Este tipo de tanques deberá ser construido con una cubierta protectora, con tapa de acceso sanitario e incluir accesorios tales como: escaleras ventiladores, aberturas de acceso, cámara de válvulas, etc. 3.6.4.2 Tanques elevados Se recomienda este tipo de tanques cuando por razones de servicio se requiera elevarlos. Los estanques elevados se construyen de acuerdo a los requerimientos y características del proyecto, podrán ser de acero, hormigón armado, pretensado o pos tensado, o fibra de vidrio, sus diseños en muchos casos atienden también a razones ornamentales. En el diseño de tanques elevados, deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos: a) Que el nivel mínimo del agua en el tanque sea suficiente para conseguir las presiones adecuadas en la red de distribución. b) Las tuberías de rebose y desagüe se interconectarán a un nivel accesible y por una sola tubería se descargará en un punto alejado del tanque. c) Se instalarán válvulas en las tuberías conforme a lo indicado anteriormente d) En tanques unitarios se recomienda disponer un paso directo (by-pass) que permita mantener el servicio mientras se efectué el lavado o la reparación del tanque. e) Deben ser construidos con una cubierta protectora y deben contar con los siguientes accesorios: escaleras, dispositivos de ventilación, abertura de acceso, cámaras de válvulas, pararrayos y otros dispositivos necesarios. f)

En los tanques de regulación se diseñarán dispositivos que Permitan controlar el nivel máximo del agua. (9)

--------------------------------------9. FERNÁNDEZ SILA, Néstor Guillermo “Abastecimiento de agua” Puno, Pág. 37

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IV FUENTES DE ABASTECIMIENTO Y CAPTACION

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4.1 FUENTES DE ABASTECIMIENTO Las fuentes de agua constituyen el principal recurso en el suministro de agua en forma individual o colectiva para satisfacer sus necesidades de alimentación, higiene y aseo de las personas que integran una localidad. Su ubicación, tipo, caudal y calidad del agua serán determinantes para la selección y diseño del tipo de sistema de abastecimiento de agua a construirse. Cabe señalar que es importante seleccionar una fuente adecuada o una combinación de fuentes para dotar de agua en cantidad suficiente a la población y, por otro, realizar el análisis físico, químico y bacteriológico del agua y evaluar los resultados con los valores de concentración máxima admisible recomendados por la OMS. Además de estos requisitos, la fuente de agua debe tener un caudal mínimo en época de estiaje igual o mayor al requerido por el proyecto; que no existan problemas legales de propiedad o de uso que perjudiquen su utilización y; que las características hidrográficas de la cuenca no deben tener fluctuaciones que afecten su continuidad. 4.1.1 Tipos de fuentes de agua - Agua de lluvia El agua de lluvia se emplea en aquellos casos en que no es posible obtener agua superficial de buena calidad y cuando el régimen de lluvia sea importante. Para ello se utilizan los techos de las casas o algunas superficies impermeables para captar el agua y conducirla a sistemas cuya capacidad depende del gasto requerido y del régimen pluviométrico. - Aguas superficiales Las aguas superficiales están constituidas por los arroyos, ríos, lagos, etc. Que discurren naturalmente en la superficie terrestre. Estas fuentes no son tan deseables, especialmente si existen zonas habitadas o de pastoreo animal aguas arriba. Sin embargo, no existe otra fuente alternativa en la comunidad, siendo necesario para su utilización, contar con la información detallada y completa que permita visualizar su estado sanitario, caudales disponibles y calidad de agua. - Aguas subterráneas Parte de las precipitaciones en la cuenca se infiltra en el suelo hasta la zona de saturación, formando así las aguas subterráneas. La explotación de éstas dependerá de las características hidrológicas y de la formación geológica del acuífero. La captación de aguas subterráneas se puede realizar a través de manantiales, galerías filtrantes y pozos (excavados y tubulares). (10)

--------------------------------------10. AGÜERO PITTMAN, Roger “Guía para el diseño y construcción de captación de manantiales” CEPIS. Lima, 2004. Pág. 5

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4.2 TIPOS DE SISTEMAS De acuerdo a la ubicación y naturaleza de la fuente de abastecimiento, así como a la topografía del terreno, se consideran dos tipos de sistemas: Los de gravedad y los de bombeo. En los sistemas de agua potable por gravedad, la fuente debe estar ubicada en la parte alta de la población para que el agua fluya a través de tuberías, usando sólo la fuerza de la gravedad. En los sistemas de agua potable por bombeo, las fuentes de agua se encuentran en la parte baja de la población, por lo que necesariamente se requiere de un equipo de bombeo para elevar el agua hasta un reservorio y dar presión en la red. En la mayoría de las poblaciones rurales se utilizan dos tipos de fuentes de agua: Las superficiales y las subterráneas, siendo la de mejor calidad las fuentes subterráneas representadas por los manantiales, que usualmente se pueden usar sin tratamiento, a condición de que estén adecuadamente protegidos con estructuras que impidan la contaminación del agua. Estas fuentes son las que se utilizan en los sistemas de agua potable por gravedad sin tratamiento, que comparado con los de bombeo y/o de tratamiento, son de fácil construcción, operación y mantenimiento; tienen mayor continuidad; menores costos, y la administración del servicio es realizada por la misma población. 4.3 MANANTIALES Se puede definir al manantial como un lugar donde se produce el afloramiento natural de agua subterránea. Por lo general el agua fluye a través de una formación de estratos con grava, arena o roca fisura da. En los lugares donde existen estratos impermeables, éstos bloquean el flujo subterráneo de agua y permiten que aflore a la superficie. Los manantiales se clasifican por su ubicación y su afloramiento. Por su ubicación son de ladera o de fondo; y por su afloramiento son de tipo concentrado o difuso. En los manantiales de ladera el agua aflora en forma horizontal; mientras que en los de fondo el agua aflora en forma ascendente hacia la superficie. Para ambos casos, si el afloramiento es por un solo punto y sobre un área pequeña, es un manantial concentrado y cuando aflora el agua por varios puntos en un área mayor, es un manantial difuso. 4.3.1 Captación de manantiales Elegida la fuente de agua e identificada como el primer punto del sistema de agua potable en el lugar del afloramiento, se construye una estructura de captación que permita recolectar el agua, para que luego pueda ser transportada mediante las tuberías de conducción hacia el reservorio de almacenamiento. La fuente en lo posible no debe ser vulnerable a desastres naturales, en todo caso debe contemplar las seguridades del caso. El diseño hidráulico y dimensionamiento de la captación dependerán de la topografía de la zona, de la textura del suelo y de la clase del manantial; buscando no alterar la calidad y la temperatura del agua ni modificar la corriente y el caudal natural

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cualquier obstrucción agua crea otro cauce y

UNA - PUNO puede tener el manantial

Es importante que se incorporen características de diseño que permitan desarrollar una estructura de captación que considere un control adecuado del agua, oportunidad de sedimentación y facilidad de inspección y operación. 4.3.2 Tipos de captación Como la captación depende del tipo de fuente y de la calidad y cantidad de agua, el diseño de cada estructura tendrá características típicas. Cuando la fuente de agua es un manantial de ladera y concentrado, la captación constará de tres partes: La primera, corresponde a la protección del afloramiento; la segunda, a una cámara húmeda para regular el gasto a utilizarse; y la tercera, a una cámara seca que sirve para proteger la válvula de control. El compartimiento de protección de la fuente consta de una losa de concreto que cubre toda la extensión del área adyacente al afloramiento de modo que no exista contacto con el ambiente exterior, quedando así sellado para evitar la contaminación. Junto a la pared de la cámara existe una cantidad de material granular clasificado, que tiene por finalidad evitar el socavamiento del área adyacente a la cámara y de aquietamiento de algún material en suspensión. La cámara húmeda tiene una canastilla de salida para conducir el agua requerida y un cono de rebose para eliminar el exceso de producción de la fuente. Si se considera como fuente de agua un manantial de fondo y concentrado, la estructura de captación podrá reducirse a una cámara sin fondo que rodee el punto donde el agua brota. Constará de dos partes: La primera, la cámara húmeda que sirve para almacenar el agua y regular el gasto a utilizarse; la segunda, una cámara seca que sirve para proteger las válvulas de control de salida y desagüe. La cámara húmeda estará provista de una canastilla de salida y tuberías de rebose y limpia. Si existen manantiales cercanos unos a otros, se podrá construir varias cámaras de las que partan tubos o galerías hacia una cámara de recolección de donde se inicie la línea de conducción. Adyacente a la cámara colectora se considera la construcción de la cámara seca cuya función es la de proteger la válvula de salida de agua. 4.3.3 Captación de un manantial de ladera y concentrado a) Diseño hidráulico y dimensionamiento Para el dimensionamiento de la captación es necesario conocer el caudal máximo de la fuente, de modo que el diámetro de los orificios de entrada a la cámara húmeda sea suficiente para captar este caudal o gasto. Conocido el gasto, se puede diseñar el área de orificio sobre la base de una velocidad de entrada no muy alta y al coeficiente de contracción de los orificios.

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Figura 6. Flujo de agua en un orificio de pared gruesa

- Calculo de la distancia entre el afloramiento y la cámara húmeda. Es necesario conocer la velocidad de pase y la pérdida de carga sobre el orificio de salida (figura 6). Según la ecuación de Bernoulli entre los puntos 0 y 1, resulta:

P0 V2 P V2  h0  0  1  h1  1  2g  2g Considerando los valores de P0, V0, P1 y h1 igual a cero, se tiene:

V12 h0  2g

(1)

Donde: h0 = Altura entre el afloramiento y el orificio de entrada (se recomienda valores de 0,40 a 0,50 m.) V1 = Velocidad teórica en m/s. g = Aceleración de la gravedad (9,81 m/s2). Mediante la ecuación de continuidad considerando los puntos 1 y 2, se tiene: Q1 = Q2 Cd x A1 x V1 = A2 x V2 Siendo A1 = A2

V1 

V2 Cd

(2)

Donde: V2 = Velocidad de pase (se recomienda valores menores o iguales a 0,6 m/s). Cd = Coeficiente de descarga en el punto 1 (se asume 0,8). Reemplazando el valor de V1 de la ecuación (2) en la ecuación (1), se tiene:

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h0  1.56

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V22 Cd

h0 es definida como la carga necesaria sobre el orificio de entrada que permite producir la velocidad de pase. En la figura 7 se observa:

H  H f  h0 Figura 7. Carga pérdida de carga

disponible

y

Donde Hf es la pérdida de carga que servirá para determinar la distancia entre el afloramiento y la caja de captación (L). Hf = H – ho Hf = 0.30 x L

L

Hf 0.30

- Ancho de la pantalla (b) Para determinar el ancho de la pantalla es necesario conocer el diámetro y el número de orificios que permitirán fluir el agua desde la zona de afloramiento hacia la cámara húmeda. Para el cálculo del diámetro de la tubería de entrada (D), se utilizan las siguientes ecuaciones. QMÁX = V x A x Cd

QMAX  A · Cd · 2 gh Donde: QMÁX = Gasto Máximo de la fuente en l/s. V = Velocidad de paso (se asume 0,50 m/s, siendo menor que el valor máximo recomendado de 0,60 m/s). A = Área de la tubería en m2 Cd = Coeficiente de descarga (0,6 a 0,8). g = Aceleración de la gravedad (9,81 m/s2) h = Carga sobre el centro del orificio (m). El valor de A resulta:

QMAX  D2 A  Cd ·V 4 Considerando la carga sobre el centro del orificio el valor de A será:

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A

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QMAX  D2  4 Cd 2 gh

El valor de D será definido mediante:

D

o

NA 

4A 

Número de orificios: Se recomienda usar diámetros (D) menores o iguales de 2”. Si se obtuvieran diámetros mayores, será necesario aumentar el número de orificios (NA), siendo:

Area del diametro calculado 1 Area del diametro asumido

D NA   1  D2

2

Figura 8. Distribución de los orificios de pantalla frontal

   1 

Para el cálculo del ancho de la pantalla, se asume que para una buena distribución del agua los orificios se deben ubicar como se muestra en la figura 8. Siendo: “d” el diámetro de la tubería de entrada “b” el ancho de la pantalla Conocido el número de orificios y el diámetro de la tubería de entrada, se calcula el ancho de la pantalla (b) mediante la siguiente ecuación: b = 2(6D) + NA D + 3D (NA – 1) b = 12 D + NAD + 3 NAD – 3D

b  9 D  4 · NA · D Donde: b = Ancho de la pantalla D = Diámetro del orificio NA = Número de orificios

- Altura de la cámara húmeda En base a los elementos identificados de la figura 9, la altura total de la cámara húmeda se calcula mediante la siguiente ecuación:

Ht  A  B  H  D  E

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Donde: A = Se considera una altura mínima de 10 cm. Que permite la sedimentación de la arena. B = Se considera el diámetro de salida. H = Altura de agua sobre la canastilla. D = Desnivel mínimo entre el nivel de ingreso del agua del afloramiento y el nivel de agua de la cámara húmeda (mínimo 5 cm.). E = Borde libre (mínimo 30 cm).

Figura 9. Altura total de la cámara húmeda Para determinar la altura de la captación, es necesario conocer la carga requerida para que el gasto de salida de la captación pueda fluir por la tubería de conducción. La carga requerida es determinada mediante la siguiente ecuación:

ho  1.56

V2 2g

Donde: H = Carga requerida en m V = Velocidad promedio en la salida de la tubería de la línea de conducción en m/s g = Aceleración de la gravedad igual 9,81 m/s2 Se recomienda una altura mínima de H = 30 cm - Dimensionamiento de la canastilla Para el dimensionamiento se considera que el diámetro de la canastilla debe ser dos veces el diámetro de la tubería de salida a la línea de conducción (Dc); que el área total de ranuras (At) sea el doble del área de la tubería de la línea de conducción; y que la longitud de la canastilla (L) sea mayor a 3 Dc y menor de 6Dc.

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At = 2 Ac

Donde:

AC 

 D C2 4 Figura

10 Canastilla de salida

Conocidos los valores del área total de ranuras y el área de cada ranura se determina el número de ranuras:

N º de ranuras 

o

Area total de ranura  At  Area de ranura  Ar 

Tubería de rebose y limpia: En la tubería de rebose y de limpia se recomienda pendientes de 1 a 1,5% y considerando el caudal máximo de aforo, se determina el diámetro mediante la ecuación de Hazen y Williams (para C=140).

D

0.71 · Q 0 .38 hf 0 .21

Donde: D = Diámetro en pulgadas Q = Gasto máximo de la fuente en lts/s S = Pérdida de carga unitaria en m/m. (11)

--------------------------------------11. AGÜERO PITTMAN, Roger “Guía para el diseño y construcción de captación de manantiales” CEPIS. Lima, 2004. Pág. 9

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V LÍNEA DE CONDUCCIÓN

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5.1 LÍNEAS DE CONDUCCIÓN Llamado también en algunos textos como líneas de aducción, estas líneas están básicamente constituidas por la tubería que conduce agua desde la obra de captación hasta el reservorio, planta de tratamiento u otra estructura, también componen a esta los accesorios, dispositivos y válvulas integradas a ella. También pueden ser canales abiertos. En cuanto a su capacidad generalmente deben conducir un flujo igual al consumo máximo diario, cuando se cuenta con reservorio y/o planta de tratamiento, si no fuera así la capacidad deberá ser igual al caudal máximo horario. El trazado de esta línea se debe realizar tomando en cuenta las siguientes consideraciones: A. Que en lo posible la conducción sea cerrada y a presión. B. Que el trazado de la línea sea lo más directo posible de la fuente a la red de distribución. C. Que la línea de conducción evite tramos extremadamente difíciles o inaccesibles D. Que la línea de conducción esté siempre por debajo de la línea piezométrica más desfavorable, a fin de evitar zonas de depresión que representan un peligro de aplastamiento de la tubería y posibilidad de cavitación. E. Evitar presiones excesivas que afecten la seguridad de la conducción. F. Que la línea evite zonas de deslizamiento e inundaciones. G. Evitar tramos de pendiente y contrapendiente, los que pueden causar bloqueos de aire en la línea. 5.2 CRITERIOS PARA EL DISEÑO Una línea de conducción debe aprovechar al máximo la energía disponible para conducir el caudal captado, por ello se debe seleccionar el diámetro de tubería adecuada que permita por capacidad las menores perdidas de carga posibles. En el diseño se debe tener en cuenta los siguientes criterios: o o o o o o

La diferencia de cotas entre los extremos (altura estática) Capacidad de transporte de caudal (Qmd) La clase de tuberías disponibles y comerciales El material de las tuberías según el trazo. Diámetros disponibles y comerciales Estructuras complementarias (válvulas, accesorios, cajas rompe presión, otros)

5.2.1 línea de gradiente hidráulica Esta línea tubería cuando circulando por hidráulica para se busca que la

nos indica la presión de agua a lo largo de la está operando, es decir cuando el agua está la tubería. Cuando trazamos la línea de gradiente un caudal que se descarga libremente a la atmósfera, presión residual sea positiva.

La existencia de presión residual positiva garantiza un exceso de energía gravitacional lo que nos indica energía suficiente para mover el flujo, la existencia residual negativa implica que se debe recalcular la línea

que existe que existe de presión en diseño.

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5.2.2 Pérdida de carga (energía) La perdida de carga es la perdida de energía necesaria para vencer las resistencias que se oponen al movimiento del fluido de un lugar a otro dentro de la tubería. Las pérdidas de carga pueden ser lineales o de fricción o singulares o locales, las primeras son ocasionadas por las fuerzas de rozamiento en la superficie de contacto entre el fluido y la tubería; y las siguientes son producidas por las deformaciones de flujo, cambio en sus movimientos y velocidad, como son cambios de sección, existencia de válvulas, grifos, codos y demás accesorios. En el caso de que las perdidas menores superasen el 10% de las perdidas por fricción a la tubería se le denomina corta y se toma en consideración estas pérdidas para el cálculo. 5.2.3 Alcances del RNE En la Norma SO.010 tenemos ciertas consideraciones con respecto al diseño de líneas de conducción. a) Velocidades y Cálculo: Considera conducciones por gravedad en canales y tuberías, para diseñar la línea de conducción por canales recomienda utilizar la formula de Nanning con una velocidad mínima de 0.60 m/s. En caso de tuberías recomienda utilizar la formula de Hazen y Williams con los coeficientes de fricción siguientes: CUADRO 3. VALORES DE C SEGÚN EL RNE

TIPO DE TUBERIA Acero sin costura Acero soldado en espiral Cobre sin costura Concreto Fibra de vidrio Hierro fundido Hierro fundido con revestimiento Hierro galvanizado Polietileno, asbesto cemento Poli cloruro de vinilo (PVC) Fuente: RNE Norma OS.010

“C” 120 100 150 110 150 100 140 100 140 150

La velocidad mínima no será menor a 0.60 m/s y la máxima en tubos de concreto no debe superar 3 m/s, en tubos de asbesto cemento, acero y PVC no mayor a 5 m/s. b) Accesorios: Dentro de los accesorios a considerar en estas líneas tenemos: b.1 Válvulas de aire En líneas de gravedad y/o bombeo se deberán colocar válvulas extractoras de aire (ventosas) en los puntos de cambio de dirección, cuando la pendiente cambie de positiva a negativa, es decir en los puntos altos de la línea; si la

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línea tuviese una pendiente uniforme se colocara una válvula cada 2 km como máximo. En caso de que existiera peligro de colapso de la tubería debida al material y por condiciones de trabajo se colocaran válvulas de doble acción (admisión y expulsión). Las válvulas serán función del caudal, presión y diámetro de la tubería. b.2 Válvulas de purga Estas válvulas van colocadas en los puntos bajos de la línea, teniendo en cuenta la calidad de agua a conducir y se dimensionaran de acuerdo a la velocidad del flujo, el reglamento recomienda que el diámetro de la válvula sea menor que el de la tubería. Su instalación debe ser en cámaras adecuadas y seguras con acceso a una fácil operación y mantenimiento. En la figura 11. Mostramos los dos casos de válvulas Válvula de aire Línea de conducción

Válvula de Purga FIGURA 11. UBICACIÓN DE VALVULAS DE AIRE Y DE PURGA

5.2.4 Calculo

de líneas

5.2.4.1 Calculo Hidráulico El escurrimiento del agua por gravedad en una tubería, en el caso común en que la descarga es libre, viene dada por la formula:

H 

V2  h f  hm 2g

Donde: H = Carga hidráulica disponible [m]

V2 = Carga de velocidad [m] 2g hf = Pérdida por fricción en la tubería [m] hm = Pérdidas locales [m] En el cálculo hidráulico de una conducción conocida: a) La carga disponible, “H” y b) La longitud de la línea, “L” Datos que se obtienen de los trazos altimétricos y planimétricos de la conducción se determina:

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- El tipo y clase de tubería (puede ser asbesto cemento, PVC, acero, etc.) - El diámetro comercial y - La clase de tubería por usar, de acuerdo a las presiones de operación. En el cálculo hidráulico se puede utilizar la ecuación de Hazen Williams, Nanning o Darcy Weisbach. Pérdidas locales Son aquellas pérdidas provocadas por los accesorios etc. Estas pérdidas son relativamente importantes es el caso de tuberías cortas; en las tuberías largas, su valor es despreciable, por tal motivo frecuentemente no se usa en aducción excepto cuando se trate de aducción por bombeo para calcular la potencia de la bomba y está definida por la formula:

V2 hm  K 2g Donde: hm = Pérdida en los accesorios [m] V = Velocidad [m/s] K = Coeficiente que varía de acuerdo a los accesorios g = Aceleración de la gravedad [m/s2]. (12)

5.3 POSICIÓN DE LAS TUBERÍAS EN RELACION A LA LÍNEA DE CARGA En el caso general de flujo de líquidos en tuberías, pueden ser considerados dos planos de carga: el absoluto, en el caso que se considera la presión atmosférica y el efectivo, referente al nivel del lugar. En correspondencia son consideradas la línea de carga absoluta y la línea de carga efectiva, esta última conocida como línea piezométrica. Serán analizadas siete posiciones relativas a las tuberías: Primera posición: Tubos situados bajo la línea de carga efectiva en toda su extensión (Fig. 12) Para un punto cualquiera N son definidas: N1 N2 N3 N4

= = = =

Carga Carga Carga Carga

estática dinámica estática dinámica

absoluta absoluta efectiva efectiva

--------------------------------------12. FERNÁNDEZ SILA, Néstor Guillermo “Abastecimiento de agua” Puno, Pág. 77

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FIG. 12 CASO ÓPTIMO EN LINEAS DE CONDUCCION

Esta es una posición óptima para la tubería. El flujo será normal y el caudal real corresponderá al caudal calculado. En los puntos más bajos de la tubería, deben ser previstas descargas con válvulas para limpieza periódica de la tubería y también para posibilitar el vaciamiento cuando sea necesaria. En los puntos más elevados deben ser instaladas válvulas de expulsión y admisión de aire que posibilitan el escape del aire acumulado (Fig. 11) En este caso, dichas válvulas funcionarán bien, porque la presión en el interior del tubo siempre será mayor que la atmosférica. Para que el aire se localice en determinados puntos más elevados, la tubería debe ser asentada con una pendiente que satisfaga:

Sf 

1 , 2000D

Siendo D el diámetro de la misma en metros.

Segunda posición: La tubería coincide con la línea piezométrica efectiva (Fig. 13)

FIG. 13 CASO DE CONDUCTOS LIBRES

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Carga dinámica efectiva = 0 Es el caso de los llamados conductos libres. Un orificio hecho en la generatriz superior de los tubos no provocaría la salida del agua. Observación importante.- En la práctica se debe tratar de construir las tuberías según una de las dos posiciones estudiadas. Siempre que la misma corte la línea de carga efectiva, las condiciones de funcionamiento no serán buenas. Por eso, en los casos en que es impracticable mantener la tubería siempre por debajo de aquella línea, deben ser tomados cuidados especiales. Tercera posición: La tubería pasa por encima de la línea piezométrica efectiva, pero por debajo de la piezométrica absoluta (Fig. 14)

FIG. 14 CASO CON PRESION EFECTIVA NEGATIVA

La presión efectiva tiene un valor negativo. Entre los puntos A y B sería difícil evitar las bolsas de aire. Las ventosas comunes serían perjudiciales, porque en estos puntos, la presión es inferior a la atmosférica. A consecuencia de las bolsas de aire, el caudal disminuirá. Cuarta posición: La tubería corta la línea piezométrica absoluta, pero queda por debajo del plano de carga efectiva.

FIG.15 CASO DE PRESION ABSOLUTA NEGATIVA

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En este caso, pueden ser considerados dos tramos de tubo con funcionamiento distinto: R1 a T, flujo a presión; T a R2, flujo como un vertedor El caudal es reducido e imprevisible: posición defectuosa. Observación.- Si la tubería estuviese por debajo del plano de carga efectiva y cortara la línea de carga efectiva, (Fig. 14 Y 15) y si fuese establecida la comunicación con el exterior (presión atmosférica) en su punto más desfavorable (construyéndose una caja de paso), la tubería pasaría a funcionar como dos tramos distintos: del depósito 1 hasta el punto alto de la tubería, flujo bajo la carga reducida correspondiente a este punto. De ahí al depósito 2, bajo la acción de la carga restante. Quinta posición: La tubería corta la línea piezométrica y el plano de carga efectivos, pero queda abajo de la línea piezométrica absoluta FIG. 16

FIG. 16

CASO CON TUBERIA POR DEBAJO DE LA LINEA DE CARGA ABSOLUTA

Se trata de un sifón que funciona en condiciones precarias, exigiendo cebaje toda vez que entra aire en la tubería) Sexta posición: Tubería por encima del plano de carga y de la línea piezométrica absoluta, pero por debajo del plano de carga absoluto (Fig. 17)

FIG. 17 CASO CON TUBERIA POR DEBAJO DEL PLANO DE CARGA ABSOLUTO

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ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Se trata de posibles.

un

sifón

que

funciona

UNA - PUNO en

las

peores

condiciones

Observación.- En la práctica, se ejecutan algunas veces, sifones verdaderos para atender a condiciones especiales. En estos casos son tomadas las medidas necesarias para el cebaje por medio de dispositivos mecánicos. Séptima posición: La tubería corta el plano de carga absoluto (Fig. 18) El flujo por gravedad es imposible: hay necesidad de bombear (en el primer tramo). (13)

FIG. 18 CASO CON LA TUBERIA CORTANDO EL PLANO DE CARGA ABSOLUTO

--------------------------------------13. FERNÁNDEZ SILA, Néstor Guillermo “Abastecimiento de agua” Puno, Pág. 86

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VI RED DE DISTRIBUCIÓN

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Con el nombre de sistema de distribución se designa a los reservorios, equipos de bombeo, red de tuberías en la ciudad pertinente, válvulas, grifos contra incendio y demás implementos destinados a la entrega del agua a los consumidores. 6.1 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN 1. Alimentación simple por gravedad. Del depósito de agua las tuberías de distribución y las presiones representadas por las gradientes hidráulicas afectaran las formas que se muestran en la figura 19. La carga máxima estática es la línea A-B, horizontal, trazada por el nivel alto del agua en el reservorio. Las líneas inclinadas A-C y A-D, representan respectivamente las gradientes para los consumos mínimo y máximo. El cálculo de diámetros y gastos de las tuberías se hace de manera tal que la presión en la red no sea inferior a la presión mínima prevista; y la resistencia de los tubos ala presiones interiores se estima como para que soporten la carga estática, que viene a ser la de mayor valor sobre los tubos. 2. Bombeo sin reservorio. una variante del sistema anterior corresponde al caso en que sea necesario reemplazar el reservorio elevado por una gradiente hidráulica artificial, proporcionada por un equipo de bombeo. Como es el caso en que el terreno entre el punto de alimentación y el plano de la ciudad este a la misma altura o que la cuidad, se encuentre a un nivel más alto que la entrada de alimentación. El procedimiento se adopta para pequeñas poblaciones o para centros industriales. En el primer caso, por ser económico el sistema; y en el segundo, por requerirse en caso de incendio una fuerte presión en la red. La capacidad máxima del equipo de bombeo corresponde a la carga estática A-B (figura 20), indicándose en el croquis las gradientes correspondientes al consumo medio A-C, y al máximo AD, debiendo corresponder este ultimo prácticamente a la presión mínima en la red. Si se emplean en el equipo bombas centrifugas es posible cariare las presiones, en la relación con el consumo, maniobrando las válvulas de admisión. El mantenimiento dl sistema de alimentación de la red es mas costos que en el caso 1º pero la tubería de la red misma puede ser de diámetros menores, ya que es posible aumentar la opción incrementando la fuerza de impulsión de la bomba, o empleando más de uno de estos mecanismos y haciéndoles trabajar conjuntamente, cuando sea necesario. 3. Alimentación a un reservorio flotante. En este caso el diseño de las presiones y consumos es el mismo ya sea que la alimentación se haga desde un reservorio elevado o desde una altura de carga teórica suministrada por una bomba (figura 21). La presión estática máxima se produciría si la entrada-salida del reservorio flotante estuviera cerrada; pero como este va a funcionar continuamente la presión máxima dinámicas corresponde

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a la línea inclinada A-C, entre los niveles altos de la alimentación y del reservorio flotante. A medida de que el consumo aumenta el reservorio comienza a alimentar la red, y cuando el consumo es máximo, se tendrá la presión mínima, indicada en el croquis. Padas las horas de consumo mínimo el reservorio flotante dejara de alimentar la red y comenzara a llenarse, lo que ocurre en casi todos los casos durante la noche. El sistema deberá calcularse para las dos situaciones, es decir para el consumo máximo, que debe ser tal que no origine una baja de presión inferior a la mínima, y para que el reservorio flotante se llena en las noches. Este sistema de alimentación es uno de los más económicos, y ventajosos. 6.2 SISTEMA DE LAS REDES El conjunto de tuberías que distribuyen el agua en una población, y que se colocan en las calles de ella, pueden estar dispuestas en diversas formas en relación con sus empalmes o sea con los puntos por donde reciben el agua; pero en general se pueden agrupar en dos, que se denominan: -

Sistema cerrado Sistema ramificado

En el primero, las tuberías afectan la forma de una malla o parrilla, en la cual circula el agua por circuitos en forma de anillos; y en el segundo, la red está formada por una serie de derivaciones que se inician una de otras como las ramas de un árbol. En la práctica, y sobre todo en las poblaciones grandes, los dos sistemas se usan conjuntamente, de acuerdo con el trazado urbano de la población, la importancia de sus zonas, sus futura expansión, etc. Para los efectos de la buena distribución la red se proyecta en forma de circuitos que se titulan de primero, segundo, etc. Orden; y también circuitos primarios y secundarios o ramales. Los cálculos de presiones y gastos se hacen generalmente sobre los circuitos primarios; acudiendo a datos experimentales o reglamentaciones para el proyecto de los secundarios. Así es frecuente adoptar como diámetro mínimo para las tuberías el de 4”, que puede reducirse a 3” en las poblaciones pequeñas. El sistema primario se hace, pues como ya hemos dicho, mediante el cálculo hidráulico, determinando las horas de máximo consumo, los gastos, y las presiones máximas y mínimas, y basándose en estos datos se determina el diámetro de las tuberías. En cuanto a las tuberías de orden inferior, o redes de relleno, se proyectan, según especificaciones ya establecidas. Entre estas señalaremos las siguientes: 1. El diámetro mínimo que en las poblaciones importantes esta especificado para zonas comerciales es el de 6”, e igual diámetro para zonas industriales o zonas con densidad de población sobre 600 habitantes por hectárea. Para zonas residenciales el diámetro mínimo es de 4”.

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En zonas Sub-Urbanas, donde la densidad de población sea menor de 100 habitantes por hectárea, se pueden usar tuberías de 3”. 2. No se deberán instalar tuberías de 3” en tramos de longitud mayor de 100m sin alimentación intermedia, pues estas tuberías representan apreciable pérdida de carga. De la misma manera se deberá estudiar la longitud máxima de tuberías de 4” y 6”, posibles de instalarse sin alimentación intermedia o sea sin conexión a tuberías de mayor diámetro. 3. Se recomienda que la longitud máxima y el área que alimentan las tuberías matrices no deberá estar separada mas de 1Km entre ellas, encerrando por consiguiente cada matriz una área aproximada de 1Km2, de superficie, el que deberá ser cubierto por las tuberías de relleno. Recomendación usual es instalar las tuberías de 10” y 12” a lo largo de las avenidas o calles importantes de la población, y dentro de los circuitos formados por estas, las tuberías de 8”, dentro de ellas las de 6” y así sucesivamente. Las zonas aisladas o de crecimiento futuro podrán quedar conectadas a la red del núcleo por una matriz, de la que saldrán en forma radial, aproximadamente, los ramales de relleno. Entre nosotros se ha establecido una reglamentación para que las compañías urbanizadoras proyecten los diámetros de sus tuberías de relleno considerando la dotación de la población a razón de 250 litros por persona y por día.

6.3 PRESIONES MÁXIMAS Y MÍNIMAS La especificación de las presiones máximas y mínimas en el diseño de una red de distribución, es uno de los primeros elementos que deberá considerarse. Dos factores intervienen en la elección de la presión máxima: los incendios y el costo de construcción y mantenimiento de la red. Para presiones de 70 a 100 Lb/Pulg2 no es necesario el empleo de motobombas en los casos de incendio, ya que esas presiones significan alturas teóricas de 49 a 70m, es decir si tener en cuenta las pérdidas de carga, y con las cuales se puede obtener hasta 150 Lt/s en los pitones de la mangueras. Pero estas presiones exigen el empleo de tuberías capaces de soportarlas, uniones especiales y bien ejecutadas, y demás requerimientos consiguientes, por lo que no se proyectan sino para barrios muy importantes de las grandes ciudades. De allí, que por lo general, se empleen presiones de 40 a 50 Lb/pulg2, en las zonas comerciales e industriales. En los casos en que la topografía, por ejemplo imponga presiones altas ala tuberías, y que económicamente no se justifiquen el aceptarlas, se podrá acudir a reservorios para romper las presiones, o a válvulas reductoras que ya hemos mencionado. Para pequeñas poblaciones la presión aceptada baja de 20 a 25 libras; siendo 20 libras la mínima aceptable.

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A parir de 25Lb, se hace necesario el empleo de motobombas en los casos de incendio. Es posible calcular la presión mínima necesaria, teniendo en cuenta solo el consumo domestico, en una vivienda. (14) 6.4 CALCULO DE UNA RED DE CIRCUITOS CERRADOS Para el cálculo de los distintos elementos hidráulicos propios de la red proyectada, se han concebido varios métodos, entre los cuales estudiaremos solo, como más importantes: -

Método de Hardy Cross o de convergencia

1. Método de Hardy Cross Una red es un sistema cerrado de tuberías. Hay varios nudos en los que concurren las tuberías. La solución de una red es laboriosa y requiere un método de tanteos y aproximaciones sucesivas. Representemos esquemáticamente la red muy simple de la Figura 22. Esta red consta de dos circuitos. Hay cuatro nudos. En la tubería MN tenemos un caso típico de indeterminación: no se puede saber de antemano la dirección del escurrimiento. En cada circuito escogemos un sentido como positivo. Se escoge una distribución de gastos respetando la ecuación de continuidad en cada nudo, y se asigna a cada caudal un signo en función de los circuitos establecidos. Se determina entonces las pérdidas de carga en cada tramo, que resultan ser “positivas” o “negativas”.

FIGURA 22. Esquema típico de una red de tuberías

Las condiciones que se deben satisfacer en una red son 1. La suma algebraica de las pérdidas de carga en cada circuito debe ser cero. Ejemplo

2. En cada nudo debe verificarse la ecuación de continuidad. 3. En cada ramal debe verificarse una ecuación de la forma

en donde los valores de K y de x dependen de la ecuación particular que se utilice. Como los cálculos son laboriosos se recurre al método de Hardy Cross. En este método se supone un caudal en cada ramal, verificando por supuesto que se cumpla la ecuación de continuidad en cada nudo. --------------------------------------14. REGAL, A. “Abastecimiento de Agua y Alcantarillado” Editorial CIENCIAS s.r.l. Lima, 2008. Pág. 131

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Si para un ramal particular se supone un gasto Qo este valor será, en principio, diferente al gasto real que llamaremos simplemente Q, luego

En donde ΔQ es el error, cuyo valor no conocemos. Si tomamos, por ejemplo, la fórmula de Hazen y Williams se tiene que la pérdida de carga en cada tubería es

Si esta ecuación se aplica a los valores supuestos se obtiene

La pérdida de carga real será

Luego, desarrollando y despreciando los términos pequeños se llega a

De donde, para cada circuito

De acá obtenemos finalmente el valor de

Q

Esta es la corrección que debe hacerse en el caudal supuesto. Con los nuevos caudales hallados se verifica la condición 1. Si no resulta satisfecha debe hacerse un nuevo tanteo. (15)

--------------------------------------15. ROCHA FELICES, Arturo “Hidráulica De Tuberías Y Canales” Pág. 229

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VII MEMORIA DE CÁLCULO

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PERIODO DE DISEÑO El periodo de diseño se calculo según lo mencionado en la teoría (pág. 8), se sumaron los años asignados a cada elemento participante en la construcción del abastecimiento de agua, seguidamente se dividió el resultado entre el número de participantes lo cual nos da un valor de 24 años que sumados a el 2010 nos resulta 2034 como año de proyección.

POBLACION FUTURA Calculamos el valor de la población futura para el valor calculado en el periodo de diseño: Los datos de la población los podemos obtener de los diferentes censos nacionales realizados. Los calculo se realizaron por diferentes métodos como son: Regresión polinomial de 2º y 3º orden, método de Wappaus, método lineal, método exponencial.

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Regresión polinomial 2º y 3º orden: AÑO

POB.

X

Y

X'

X'

2

X'

3

X'

4

X'

5

X'

6

2

X'Y

X' Y

3

X' Y

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

1961

3123

-0.2

0.04

-0.008

0.0016

-0.00032

0.000064

-624.6

124.92

-24.984

1972

3827

-0.09

0.0081

-0.00073

6.56E-05

-5.9E-06

5.31E-07

-344.43

30.9987

-2.78988

1981

4352

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1993

4249

0.12

0.0144

0.001728

0.000207

2.49E-05

2.99E-06

509.88

61.1856

7.342272

2005

4699

0.24

0.0576

0.013824

0.003318

0.000796

0.000191

1127.76

270.6624

64.95898

2007

4949

0.26

0.0676

0.017576

0.00457

0.001188

0.000309

1286.74

334.5524

86.98362

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

11919

25199

0.33

0.1877

0.024399

0.00976

0.001683

0.000568

1955.35

822.3191

131.511

ΣX

ΣY

ΣX'

ΣX'

ΣX'Y

ΣX' Y

2

ΣX'

3

ΣX'

4

ΣX'

5

ΣX'

6

2

3

ΣX' Y

Ŷ = 4199.833

n= 6

COEFICIENTES DE DETERMINACION (ERROR) Regresión Polinomial (2º)

Regresión Polinomial (3º)

Xi ' -0.2

Y' 3197.77274

(Y' - Ŷ)2 1004125

(Y - Ŷ)2 1159570

Xi ' -0.2

Y' 3092.985

(Y' - Ŷ)2 1225114

(Y - Ŷ)2 1159570

-0.09

3767.20869

187164.1

139004.7

-0.09

3956.188

59363.14

139004.7

0

4145.36553

2966.742

23154.69

0

4193.156

44.58283

23154.69

0.12

4526.73123

106862.2

2417.361

0.12

4312.437

12679.62

2417.361

0.24

4767.70444

322477.6

249167.4

0.24

4749.472

302103.1

249167.4

0.26 -

4794.21737 -

353292.4 1976888

561250.7 2134565

0.26 -

4894.762 -

482925.3 2082230

561250.7 2134565

2

R = 0.93

2

R = 0.98

Método de Wappaus:

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Método de Lineal:

Método de Exponencial:

50

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16000

14000

12000

10000 POBLACION

REGRESION POLINOMIAL (2º) REGRESION POLINOMIAL (3º) METODO DE WAPPAUS

8000

METODO LINEAL METODO EXPONENCIAL CENSOS DE POBLACION

6000

4000

2000

0 1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

2020

2030

2040

2050

AÑOS

51

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CAUDAL

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VOLUMEN DE REGULACION

170 160 150 140 130 120 110

CONSUMO

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

HORAS

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

VARIACION HORARIA

53

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HORAS

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DEMANDA (SALIDAS) DIFERENCIAS ACUMULADAS

DEMANDAS ACUMULADAS + MAX DEFICIT

OBS

DE

A

SUMINISTRO DE ENTRADA

0

1

100

DEMANDA HORARIA (%) 45

55

55

160

-

1

2

100

45

55

110

215

-

2

3

100

45

55

165

270

-

3

4

100

45

55

220

325

-

4

5

100

45

55

275

380

-

5

6

100

60

40

315

420

-

6

7

100

90

10

325

430

Max EXC

7

8

100

135

-35

290

395

-

8

9

100

150

-50

240

345

-

9

10

100

150

-50

190

295

-

10

11

100

155

-55

135

240

-

11

12

100

140

-40

95

200

-

12

13

100

140

-40

55

160

-

13

14

100

140

-40

15

120

-

14

15

100

140

-40

-25

80

-

15

16

100

130

-30

-55

50

-

16

17

100

130

-30

-85

20

-

17

18

100

120

-20

-105

0

Max DEF

18

19

100

90

10

-95

10

-

19

20

100

90

10

-85

20

-

20

21

100

90

10

-75

30

-

21

22

100

85

15

-60

45

-

22

23

100

80

20

-40

65

-

23

24

100

60

40

0

105

-

2400

2400

DIFERENCIAS

CAPTACION DE LADERA Y CONCENTRADO DATOS (Rendimiento del Manantial)

1. CALCULO DE LA DISTANCIA ENTRE EL PUNTO DE AFLORAMIENTO Y LA CAMARA HUMEDA (L)

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2. ANCHO DE LA PANTALLA (b)

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3. ALTURA DE LA CAMARA HUMEDA (Ht)

4. DIMENSIONAMIENTO DE LA CANASTILLA

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5. REBOSE Y LIMPIA

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LINEAS DE CONDUCCION

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CALCULO DE LA LINEA DE CONDUCCION 290

0 285.5

270 250

COTA (m)

230 210 190 170 150 130 110

340 100.1

90 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

340

360

KILOMETRAJE (m) Cota Tuberia

Linea Piezometrica

Nivel de Carga Estatica

Captación

Reservorio

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PERFIL LONGITUDIONAL 300 250 200 150

100 50

0

Cota Tuberia

Nivel de Carga Estatica

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VIII ANEXOS

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RESULTADOS (Epanet 2.0)

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GRAFICA DE PRESIONES (Epanet 2.0)

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TABLAS (Epanet 2.0)

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71

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PLANOS

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IX BIBLIOGRAFÍA

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AGÜERO PITTMAN, Roger “Guía para el diseño y construcción de captación de manantiales” CEPIS. Lima, 2004.

AROCHA RAVELO, Simón “Abastecimiento de agua” Ediciones VEGA s.r.l. Caracas, 1980.

FERNÁNDEZ SILA, Néstor Guillermo Puno,

“Abastecimiento de agua”

GARCÍA ORE, celestino “Distribuciones multivariadas, regresión y correlación” Ediciones UNI. Lima, 1992.

REGAL, A. “Abastecimiento de Agua y Alcantarillado” Editorial CIENCIAS s.r.l. Lima, 2008.

ROCHA FELICES, Arturo

“Hidráulica De Tuberías Y Canales”

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