Capitulo IV "Almacenamiento"

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

CAPITULO IV ALMACENAMIENTO 4.1 DOTACION MEDIA DIARIA 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. La dotación media diaria recomendada para el diseño de sistemas de agua potable se indica en la Tabla 4.1 Adicionalmente se tomarán en cuenta, para el ajuste de las dotaciones, los estudios socio económicos realizados y el costo marginal de los servicios. En ningún caso estos ajustes podrán disminuir en más del 20% los valores indicados en la Tabla 4.1 En base a estudios socio-económicos, deberá compatibilizarse un incremento en la dotación, el mismo que se justifica por el mayor hábito en el uso de agua por la disponibilidad de la misma. La dotación futura se puede estimar con un incremento anual entre el 0.5 % y el 2 %, aplicando la fórmula de crecimiento geométrico: Df = Di (1 + d/100)n donde: Df = Dotación futura [hab] Di = Dotación inicial [hab] d

= Variación anual de la dotación

n

= Número de años en estudio

122 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

Tabla 4.1 Dotación media referencial Zona

Altipláno De los Valles De los Llanos

Hasta 500 30-50 50-70 70-90

De 500 a 2000 30-70 50-90 70-110

Dotacion media ( L/hab/d ) Población ( hab ) De 2000 De 5000 De 20000 a 5000 a 20000 a 100000 50-80 80-100 100-150 70-100 100-140 150-200 90-120 120-180 200-250

Más de 100000 150-250 200-300 250-350

NOTAS: */1 */2 ( 1 ) Justificar a través de un estudio social ( 2 ) La dotación se deberá justificar mediante un estudio socio-economico Fuente: Norma Boliviana NB 689 pag. 26

4.2 VARIACION DE CAUDALES 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. Para lograr tales objetivos, es necesario que cada una de las partes que constituyen el acueducto 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 medio diario promedio anual Ello nos permite definir el Consumo Medio Diario como el promedio de los consumos diarios durante un año de registros expresado en [lts/seg]. 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.

123 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

4.3 VARIACIONES DIARIAS La Figura 4.1 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. 4.1 CURVA DE VARIACIONES DIARIAS DE CONSUMO REGISTRADA DURANTE UN MES [Ref. 10]

Consumo Máximo Diario Al extender estas variaciones a todo un año, podemos determinar el día más crítico (máxima demanda) que debe necesariamente ser satisfecho, ya que de lo contrario originaria situaciones deficitarias para el sistema; La Norma Boliviana NB 689, establece lo siguiente: El consumo medio diario (Qmed_d expresado en lts/seg) será determinado en base a la población calculada y a la dotación media adoptada. Es decir:

Qmed_d = Población x Dotación

Qmed _ d [lts / seg ] =

población[hab] ⋅ dotación[lts / hab / día ] 86400 seg

El consumo máximo diario (Qmax_d) se determinará multiplicando el consumo medio diario por un coeficiente k1 que varía entre 1.2 a 1.5 (Norma Boliviana NB 689 pag. 26) según las características de la población. Otros valores de K1 se muestran en la tabla 4.2 Qmax_d = K1 x Qmed_d

124 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

Tabla 4.2 Valores del factor k1, para diversos países Pais Alemania Brasil España Estados Unidos Francia Inglaterra Italia Venezuela

Autor Hutler Azevedo-Neto Lázaro Urra Fair & Geyer Devaube-lmbeaux Gourlex Galizio Rivas Mijares (13)

K1 1.6 - 2.0 1.2 - 1.5 1.5 1.5 - 2.0 1.5 1.2 - 1 .4 1.5 - 1.6 1.2 - 1.5

Fuente: Abastecimientos de Agua, Simón Arocha R. Pag. 16

4.4 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. Si observamos uno cualquiera de los discos con las variaciones horarias del consumo Fig. 4.2 esta muestra valores mínimos en las horas de la madrugada y máximos al mediodía.

FIG. 4.2 REGISTRO GRAFICO DEL VENTURIMETRO. VARIACIONES HORARIAS DEL CONSUMO DE AGUA [Ref. 10]

125 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

Para visualizar mejor esta distribución, transferimos los datos del disco a un sistema de coordenadas cartesianas Figura 4.3, observándose una curva de variaciones de consumo, con 2 picos bien definidos al comienzo de las actividades matinales y al mediodía.

FIG. 4.3 ESQUEMA DE UNA CURVA DE VARIACIONES HORARIAS [Ref. 10]

4.4.1 CONSUMO MÁXIMO HORARIO El valor máximo tomado hora a hora representara la hora de máximo consumo de ese día. Si por definición, tomamos la curva correspondiente al día de máximo consumo, esta hora representará el Consumo Máximo Horario. El consumo máximo horario (Qmax_h)se determinará multiplicando el consumo máximo diario por un coeficiente K2 que varia entre 1.5 y 2.2 según el número de habitantes. siendo: Qmax_h = K2 x Qmax_d Los valores de k2 se hallan indicados a continuación: Tamaño de la población Hasta 2.000 hab. de 2.000 hab. a 10.000 hab. de 10.000 hab. a 100.000 hab. de 100.000 hab. adelante

Coeficiente k2 2.20 - 2.00 2.00 - 1.80 1.80 - 1.50 1.5

Fuente: Norma Boliviana NB 689 pag. 27

126 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

4.4.2 CONSUMO INDUSTRIAL 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. 4.5 TANQUES DE REGULACION Los estanques 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 estanque de almacenamiento cumple tres propósitos fundamentales: 1) Compensar las variaciones de los consumos que se producen durante el día. 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 4.5.1 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 127

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

4.5.1.1 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

El volumen de regulación se debe considerar entre el 15% y el 30% del consumo máximo diario si el sistema es por gravedad; si el sistema es por bombeo se considerarán los límites del 15 al 25% de acuerdo al número y duración de los periodos de bombeo así como los horarios en los que se hallan previstos dichos bombeos. 4.5.1.2 Volumen contra incendios [Ref. 10] 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 un tiempo de duración del incendio entre 2 y 4 horas, para caudales de incendio de 10, 16 o 32 [lts/seg] de acuerdo a la importancia y densidad poblacional dela zona. Con lo cual se tiene una de las siguientes alternativas: a) 10 [lts/seg] * 4 [horas] * 3600 [seg] = 140000 [lts] b) 16 [lts/seg] * 4 [horas] * 3600 [seg] = 230400 [lts] c) 32 [lts/seg] * 4 [horas] * 3600 [seg] = 460800 [lts] 4.5.1.3 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 (Qmax_d) 128 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

4.5.1.4 Volumen total Resultará como el mayor valor de la suma de cualquiera de las siguientes cantidades: Vreg + Vinc Vreg + Vres

> VTANQUE

4.5.2 DISEÑO DEL VOLUMEN DEL TANQUE 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 (Qmax_d) 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 4.4

FIG. 4.4 HIDROGRAMA DE CONSUMO DE UNA POBLACIÓN PEQUEÑA [Ref. 11]

4.5.2.1 Calculo Analítico El cálculo se hace mediante una tabla como la que se presenta en la tabla 4.3, considerando la figura 4.4, la ley de demanda o salida (consumo) la conocemos en función de porcentajes horarios del caudal máximo diario (Qmax_d), en esta misma forma se expresa la ley de entrada (suministro).

129 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

Tabla 4.3 volumen de regulación para el caso de suministro las 24 horas [Ref. 11] Horas

Suministro (Entrada) Q Bombeo (%)

0 - 1 1 - 2 2 - 3 3 - 4 4 - 5 5 - 6 6 - 7 7 - 8 8 - 9 9 - 10 10 - 11 11 - 12 12 - 13 13 - 14 14 - 15 15 - 16 16 - 17 17 - 18 18 - 19 19 - 20 20 - 21 21 - 22 22 - 23 23 - 24 TOTAL (1)

100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 2400 (2)

Demandas (Salidas) Demanda Diferencias Diferencia Horaria en % (1) Acumuladas

45 45 45 45 45 60 90 135 150 150 150 140 120 140 140 130 130 120 100 100 90 90 80 60 2400 (3)

+ + + + + + + -

+ + + +

55 55 55 55 55 40 10 35 50 50 50 40 20 40 40 30 30 20 0 0 10 10 20 40

+ + + + + + + + + + + + + + -

(4)

55 110 165 220 275 315 325* 290 240 190 140 100 80 40 0 30 60 80* 80 80 70 60 40 0 (5)

Diferencias Acumuladas + (80 max. Deficit)

+ + + + + + + + + + + + + + + + +

+ + + +

135 190 245 300 355 395 405 370 320 270 220 180 160 120 80 50 20 0 0 0 10 20 40 80 (6)

(1):

Tiempo en horas

(2):

Entrada o suministro al tanque al 100% del caudal de bombeo (Qmax_d), durante las 24 horas

(3):

Partiendo de variaciones horarias de consumo conocidas

(4):

(2) – (3)

(5):

Diferencias acumuladas resultantes de la suma algebraica de las diferencias de (4)

(6):

(5) + 80

En dicha tabla se aprecia que, para calcular el volumen, se suman los valores absolutos del máximo excedente y máximo déficit; 325 y 80,. 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 demandarse más agua de la que entra al tanque, por lo que empieza a hacerse uso de la que se tenía 130 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

acumulada, situación que prevalece hasta las 15 horas en donde el tanque se encuentra vacío. 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 critico (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 (80) 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: C = Qmax_ d ⋅

1[m 3 ] 3600[ s ] 1 [| máximo porcentaje excedente | + | máximo porcentaje faltante |] ⋅ ⋅ 1000[l ] 1[h] 100(%)

C = Qmax_ d ⋅

1[m 3 ] 3600[ s ] 1 ⋅ ⋅ 1000[l ] 1[h] 100(%)

[| +325(%) | + | -80(%) |]

C = 14.58 ⋅ Q max_ d

Donde: C

= Capacidad del tanque en [m3]

Qmax_d = Caudal máximo diario en [l/s] Si la alimentación se efectúa sólo durante unas horas, se tendrá que aumentar los caudales de entrada para compensar las horas en que no haya alimentación y tener al final del día un total que corresponda al 2400 por ciento horario (100 por ciento durante las 24 horas).En la tabla 4.4 se observa que bombeando de la fuente al tanque durante 8 horas, de 7:00 a 15:00 el porcentaje de suministro es: 2400(%) = 300% (Ver tabla 4.4) 8(horas )

131 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

Tabla 4.4 Volumen de regulación para un suministro de 8 horas al tanque [Ref. 11] Horas

Suministro (Entrada) Q Bombeo (%)

0 - 1 1 - 2 2 - 3 3 - 4 4 - 5 5 - 6 6 - 7 7 - 8 8 - 9 9 - 10 10 - 11 11 - 12 12 - 13 13 - 14 14 - 15 15 - 16 16 - 17 17 - 18 18 - 19 19 - 20 20 - 21 21 - 22 22 - 23 23 - 24 TOTAL

0 0 0 0 0 0 0 300 300 300 300 300 300 300 300 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2400

Demandas (Salidas) Demanda Diferencias Diferencia Horaria en % (1) Acumuladas

45 45 45 45 45 60 90 135 150 150 150 140 120 140 140 130 130 120 100 100 90 90 80 60 2400

+ + + + + + + + -

45 45 45 45 45 60 90 165 150 150 150 160 180 160 160 130 130 120 120 100 90 90 80 60

+ + + + + + + + + + + + + +

45 90 135 180 225 285 375* 210 60 90 240 400 580 740 900* 770 640 520 420 320 230 140 60 0

De esta manera se puede calcular el volumen del tanque:

C = Qmax_ d ⋅

1[m 3 ] 3600[ s ] 1 ⋅ ⋅ 1000[l ] 1[h] 100(%)

[| máximo porcentaje excedente | + | máximo porcentaje faltante |]

C = Qmax_ d ⋅

1[m 3 ] 3600[ s ] 1 ⋅ ⋅ 1000[l ] 1[h] 100(%)

[| +900(%) | + | -375(%) |]

C = 45.90 ⋅ Qmax_ d Donde: C

= Capacidad del tanque en [m3]

Qmax_d = Caudal máximo diario en [l/s] 132 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

4.5.2.2 Cálculo Gráfico El cálculo gráfico del volumen de un tanque de regularización está basado en la combinación de la “curva masa” de la entrada al tanque (suministro) con la “curva masa de salida” (consumo o demanda) para los mismos intervalos de tiempo. La curva masa o diagrama de Rippl consiste en una gráfica que representa volúmenes acumulados escurridos en una sección con relación al tiempo. (Fig 4.5).

FIG. 4.5 DIAGRAMA DE RIPPL O CURVA MASA [Ref. 11]

Características del diagrama de RIPPL: 1.

La diferencia de ordenadas para dos tiempos dados mide el volumen escurrido en ese intervalo. Figura 4.6. Y2 – Y1 = Volumen escurrido entre t1 yt2

Fig. 4.6 Volumen escurrido en un intervalo de tiempo [Ref. 11]

Fig. 4.7 La pendiente de la tangente en un instante de la curva masa representa el caudal en ese instante [Ref. 11]

133 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

2.

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

La pendiente de la tangente en un punto de la curva mide el caudal en ese punto. Figura 4.7 Q=

dv dt

En una curva masa no puede haber pendientes negativas, sino a lo sumo iguales a cero 3.

Si se unen dos puntos (dos instantes) de la curva masa mediante una recta, su pendiente representa el caudal medio entre esos dos puntos o instantes. Figura 4.8.

QMEDIO =

VolumenEscurrido t 2 − t1

FIG. 4.8 LA PENDIENTE DE LA RECTA AB REPRESENTA EL CAUDAL MEDIO ENTRE LOS INSTANTES t1 y t2 [Ref. 11]

Diagramas Múltiples En el caso de un tanque de almacenamiento que cuenta con varias entradas y salidas de agua, se hacen combinaciones de las curvas masa correspondientes a cada conducto de entrada y salida, sumando por un lado la curva masa de las entradas y por el otro la de las salidas. Figura 4.9 La suma de varias curvas masa, ya sea para la entrada o para la salida, se efectúa sumando las ordenadas correspondientes a cada una de las curvas para la misma abscisa de tiempo.

134 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

FIG. 4.9 SUMA DE CURVAS MASA [Ref. 11]

Calculo del volumen de regularización El cálculo del volumen de almacenamiento en forma gráfica se hace combinando la curva masa de entrada y de salida (volúmenes de entrada y salida que deberán ser iguales para satisfacer adecuadamente las necesidades de la población) para los mismos intervalos de tiempo. Esta combinación se hace trazando las dos curvas en un mismo sistema de ejes coordenados haciendo coincidir las escalas de tiempo. Figura 4.10

FIG. 4.10 COMBINACION DE CURVAS MASA DE ENTRADAS Y SALIDAS [Ref. 11]

135 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

Una vez trazadas las dos curvas masa, la diferencia de ordenadas entre las curvas para un tiempo dado representan el excedente o el faltante de volumen de almacenamiento para el tiempo considerado. Si la curva masa de entrada está por arriba de la salida, la diferencia de ordenada representará un excedente; en caso contrario, equivaldrá a un faltante. 4.5.3 UBICACIÓN DEL ESTANQUE La ubicación del estanque 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 limitadas por Normas, según la NB 689 se tiene: -

En poblaciones rurales menores, a 5000 hab.:

5 m.c.a.

-

En poblaciones de 5000 a 15000hab:

10 m.c.a.

-

En poblaciones de áreas urbanas:

20 m.c.a.

-

La presión estática no será en ningún caso mayor a:

70 m.c.a.

De preferencia los tanques elevados conviene situarlos en una zona opuesta al punto de alimentación de la red, consiguiéndose de este modo una mejor disponibilidad de presiones.

FIG. 4.11 UBICACIÓN DE UN ESTANQUE DE ALMACENAMIENTO Y LINEAS DE PRESION [Ref. Elaboración Propia]

136 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

En la figura 4.11 se muestra las líneas de carga estática y dinámica para dos alternativas de ubicación del estanque, la ubicación de este en “C” permitirá aprovechar la mayor elevación del terreno para lograr con menor elevación de torre y/o menores diámetros, presiones residuales dentro los límites de servicio. 4.5.4 TIPOS DE ESTANQUES Los estanques de almacenamiento pueden ser construidos directamente sobre la superficie del suelo (tanques superficiales) o sobre torres ( tanques elevados) 4.5.4.1 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 prediseño 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.

137 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

c) Se instalarán válvulas de compuerta en todas las tuberías. El número mínimo será de cuatro, cada una de ellas irá ubicada en: -

la tubería de entrada al tanque (prever el golpe de ariete)

-

la tubería del by-pass

-

la tubería de salida del tanque

-

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

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. 4.5.4.2 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 postensado, 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. 138 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

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. 4.5.5 ACCESORIOS COMPLEMENTARIOS 4.5.5.1 Tubería de llegada El diámetro de la tubería de llegada o alimentación estará definido por la línea de aducción. Deberá estar provisto de llave de igual diámetro antes de la entrada al estanque y proveerse de By-pass para atender situaciones de emergencia. Cuando se trate de estanque de dos celdas, la bifurcación se hará manteniendo el diámetro para ambas derivaciones y proveyendo llaves a cada una. Fig. 4.13

FIG. 4.13 TUBERÍA DE LLEGADA AL ESTANQUE DE ALMACENAMIENTO SECCIÓN Y PLANTA [Ref. 10]

139 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

4.5.5.2 Tubería de salida El diámetro de la tubería de salida será el correspondiente al diámetro de la matriz de distribución, debiendo estar provista de llave. Similarmente cuando existen dos celdas, el diámetro de cada una de ellas será correspondiente a la matriz de distribución y se proveerá de llaves antes de la unión hacia una sola línea de distribución. Fig. 4.14

FIG. 4.14 TUBERÍA DE SALIDA DEL ESTANQUE. MATRIZ DE DISTRIBUCIÓN SECCION Y PLANTA [Ref. 10]

4.5.5.3 Tubería de limpieza (lavado) La tubería de limpieza deberá ser de un diámetro tal que facilite el vaciado del estanque en un periodo que no exceda de 2 a 4 horas. La limpieza estará provista de llave y el fondo del tanque deberá contar con una pendiente no menor al 1%, hacia la salida. No es aconsejable que las tuberías de limpieza descarguen directamente en colectores cloacales, por lo cual deben tomarse las previsiones para evitar cualquier riesgo de contaminación posible. Fig. 4.15

140 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

FIG. 4.15 TUBERÍA DE LIMPIEZA Y DE REBOSE DEL ESTANQUE DE ALMACENAMIENTO [Ref. 10]

4.5.5.4 Tubería de rebose El tanque de almacenamiento deberá contar con una tubería de rebose, la misma que se conectará con descarga libre a la tubería de limpieza o lavado y no se proveerá de llave, permitiéndose la descarga en cualquier momento. En todo caso, es aconsejable que el diámetro de la tubería de rebose no sea menor que el de llegada. 4.5.5.5 Ventilación Los tanques de almacenamiento deben proveerse de un sistema de ventilación, dotado de protección para evitar el ingreso de insectos y otros animales. Para ello es aconsejable la utilización de tubos en “U” invertida, protegidos a la entrada con rejillas o mallas metálicas y separadas del techo del estanque a no menos de 30cm. Fig. 4.16

FIG. 4.16 TUBERÍA DE VENTILACIÓN DEL ESTANQUE DE ALMACENAMIENTO [Ref. 10]

141 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

4.5.5.6 Medidor Es recomendable colocar un medidor registrador a la salida del tanque, que permita determinar los volúmenes suministrados en forma diaria, así como las variaciones de los caudales. Ello permitirá durante la fase de operación determinar las fallas del servicio, desperdicios y usos no controlados, pudiendo tomarse medidas correctivas para el mejor funcionamiento del sistema. 4.5.5.7 Otros accesorios Todo tanque de almacenamiento deberá estar provisto de: control de niveles, flotantes, cámaras de visita con tapas sanitarias y escaleras de acceso interior y exterior. Deberá preverse una altura de revancha, o altura libre por encima del nivel máximo de aguas, no menor a 0.20m, a fin de contar con un espacio de aire ventilado.

142 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

4.6 EJEMPLOS RESUELTOS Y PROPUESTOS Ejemplo 4.1 El tanque de la Figura 1 es alimentado por dos fuentes de abastecimiento con los caudales de bombeo y los tiempos de bombeo indicados. Se pide calcular el volumen del tanque por medio del método analítico, procedimiento con volúmenes.

FIG. 1 ILUSTRACION DEL EJEMPLO [Ref. 11]

Datos: Caudal del manantial

Qman

= 4 l/s Horas de bombeo manantial es de 4 a 16 horas

Caudal de la galería filtrante

Qgal-fil

= 12 l/s Horas de bombeo galería filtrante es de 24 horas

Tanque horas de bombeo 6 a 14 horas Solución: facilitar y sistematizar los cálculos, se acostumbra realizarlos mediante una tabla como la mostrada en la Tabla 1 como se explica a continuación: (1):

Tiempo en horas

(2):

Volumen horario de entrada de la galería filtrante y manantial en [m3/hora] de 0 a 24 hrs. y de 4 a 16 hrs. respectivamente

(3):

Volumen horario de salida del tanque en [m3/hora] de las 6 a las 14 horas

(4):

(3) – (2)

(5):

Diferencias acumuladas resultantes de la suma algebraica de las diferencias de la columna 4.

143 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

Tabla 1 Método analítico para el cálculo del volumen de almacenamiento a base de volúmenes calculados [Ref. 11] (1) HORAS 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

-

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

(2) ENTRADA M3 + 43.20 + 43.20 + 43.20 + 43.20 + 72.00 + 72.00 + 72.00 + 72.00 + 72.00 + 72.00 + 72.00 + 72.00 + 72.00 + 72.00 + 72.00 + 72.00 + 43.20 + 43.20 + 43.20 + 43.20 + 43.20 + 43.20 + 43.20 + 43.20

(3) SALIDAS M3 0 0 0 0 0 0 -172.80 -172.80 -172.80 -172.80 -172.80 -172.80 -172.80 -172.80 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

∑ 1382.40

1382.40

(4) DIFERENCIAS M3 + 43.20 + 43.20 + 43.20 + 43.20 + 72.00 + 72.00 -100.80 -100.80 -100.80 -100.80 -100.80 -100.80 -100.80 -100.80 + 72.00 + 72.00 + 43.20 + 43.20 + 43.20 + 43.20 + 43.20 + 43.20 + 43.20 + 43.20

(5) Diferencias Acumulada M3 + 43.20 + 86.40 + 129.60 + 172.80 + 244.80 + 316.80 + 216.80 + 115.20 + 14.40 - 86.40 - 187.20 - 288.00 - 388.80 - 489.60 - 417.60 - 345.60 - 302.40 - 259.20 - 216.00 - 172.80 - 129.60 - 86.40 - 43.20 0

Para los datos del ejemplo se tiene: Vol. horario Galería filtrante = −

suministrado durante las 24 horas.

Vol. horario Manantial = −

12[l ] 1[m 3 ] 3600[ s ] ⋅ ⋅ = 43.20[m 3 / hora ] [ s ] 1000[l ] 1[h]

8[l ] 1[m 3 ] 3600[ s ] ⋅ ⋅ = 28.80[m 3 / hora ] [ s ] 1000[l ] 1[h]

suministrado sólo de las 4 a las 16 horas.

144 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

Por lo tanto el volumen horario alimentado al tanque de las 4 a las 16 horas será de: Volumen horario de 4 a 16 horas = 43.20 m3 + 28.80 m3 = 72.00 m3 Además: como el caudal de salida del tanque es de 48 [l/s] entonces:

Vol. horario de salida del Tanque = −

48[l ] 1[m 3 ] 3600[ s ] ⋅ ⋅ = 172.80[m 3 / hora ] [ s ] 1000[l ] 1[h]

bombeado sólo de las 6 a las 14 horas.

Los cálculos quedan entonces como se muestra en la Tabla 1 Al revisar la columna de diferencias acumuladas se observa que el máximo volumen acumulado faltante es de 489.60 m3 y el máximo volumen excedente es de 316.80 m3. Por lo tanto, y procediendo de acuerdo como se explicó antes, el volumen requerido de almacenamiento será la suma de estos dos volúmenes, o sea:

[

]

Volumen del Tanque = ∑ + 316.80m 3 + − 489.60m 3 = 806.40m 3

⇒ Volumen de regulación del Tanque = 806.40 m3 Este método analítico puede también aplicarse considerando únicamente los volúmenes de almacenamiento que se requieren para cubrir la demanda que se tenga, o sea que, dicho volumen debe ser suficiente para satisfacer los volúmenes de salida durante el o los intervalos de tiempo en que la salida es mayor que la entrada. Lo anterior, está basado en el hecho de que al término del ciclo considerado, generalmente un día, el volumen total de salida debe necesariamente ser igual al volumen total de entrada. Esta forma de realizar el cálculo se muestra en la Tabla 2

145 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

Puede observarse que la suma de la columna de volúmenes requeridos para cubrir la demanda da un resultado exactamente igual al caso anterior, o sea: ⇒ Volumen de regulación del Tanque = 806.40 m3 Tabla 2 método analítico para el cálculo de almacenamiento a base del volumen requerido para cubrir la demanda [Ref. 11] (1) HORAS 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

-

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

(2) ENTRADAS M3 43.20 43.20 43.20 43.20 72.00 72.00 72.00 72.00 72.00 72.00 72.00 72.00 72.00 72.00 72.00 72.00 43.20 43.20 43.20 43.20 43.20 43.20 43.20 43.20

∑ 1382.40 (2):

(3) SALIDAS M3 0 0 0 0 0 0 172.80 172.80 172.80 172.80 172.80 172.80 172.80 172.80 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1382.40

(4) Volumen requerido para

cubrir la demanda M3

0 0 0 0 0 0 100.80 100.80 100.80 100.80 100.80 100.80 100.80 100.80 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

806.40

Volumen horario de entrada de la galería filtrante y manantial en [m3/hora] de 0 a 24 hrs. y de 4 a 16 hrs. respectivamente

(3):

Volumen horario de salida del tanque en [m3/hora] de las 6 a las 14 horas

(4):

(3) – (2)

146 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

Ejemplo 4.2 Del ejemplo anterior el tanque de la figura 2 es alimentado por dos fuentes de abastecimiento con los caudales de bombeo y los tiempos de bombeo indicados. Calcular el volumen del tanque por medio del método gráfico, curvas masa con volúmenes; y se pide calcular el volumen de reserva y el volumen de lucha contra incendios, suponiendo que tiene una población de 10000 habitantes.

FIG. 2 ILUSTRACION DEL EJEMPLO ANTERIOR 4.1 [Ref. 11]

Solución: Cálculo del volumen y caudal producido por el Manantial El volumen diario que proporciona el manantial en forma continua es de: 4[l ] 1[m 3 ] 3600[ s ] 24[h] Vol. Producido por el manantial = ⋅ ⋅ ⋅ = 345[m 3 ] [ s ] 1000[l ] 1[h] 1día Pero este volumen se bombea solo durante 12 hrs. al día por lo que habría que calcular un cierto volumen de almacenamiento para la caja del manantial con una entrada constante y una salida intermitente.

147 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

La curva masa correspondiente al manantial es la gráfica M de la Figura 3 y se dibuja a partir del punto de inicio de bombeo con volumen acumulado igual a cero, hasta el punto que representa la terminación del bombeo y el volumen total acumulado. La pendiente de esta gráfica representa el caudal medio en el intervalo de tiempo considerado y es igual a:

Q bombeo del manantial =

345.6[m 3 ] 1000[l ] 1día 1[h] ⋅ ⋅ ⋅ = 8[lts / seg ] 3 día 1[m ] 12[h] 3600[ s ]

Lo que equivale a bombear de las 4 a las 16 horas:

8[l ] 1[m 3 ] 3600[ s ] ⋅ ⋅ = 28.8[m 3 / hora ] [ s ] 1000[l ] 1[h]

Cálculo del volumen y caudal producido por la Galería filtrante El volumen diario total que proporciona la galería filtrante es:

Vol. producido por la galería

12[l ] 1[m 3 ] 3600[ s ] 24[h] = ⋅ ⋅ ⋅ = 1036.80[m 3 ] [ s ] 1000[l ] 1[h] 1día

La curva masa correspondiente a la galería filtrante es la gráfica G de la Figura 3 se traza de forma similar a la gráfica M. La pendiente de la curva G representa el caudal medio para el intervalo de tiempo considerado, o sea:

Q bombeo galería filtrante =

1036.80[m 3 ] 1000[l ] 1día 1[h] ⋅ ⋅ ⋅ = 12[lts / seg ] 3 día 1[m ] 24[h] 3600[ s ]

Lo que equivale a bombear de 0 a las 24 horas

12[l ] 1[m 3 ] 3600[ s ] ⋅ ⋅ = 43.2[m 3 / hora ] [ s ] 1000[l ] 1[h]

La suma de las dos curvas masa de entrada al tanque es la gráfica de la Figura 3(la línea S), siendo el volumen diario total acumulado de entrada: Volumen Total diario de entrada = 345.60 m3 + 1036.80 m3 = 1382.40 m3

148 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

FIG. 3 [Ref. 11]

La curva masa que representa la ley de salida del tanque es la gráfica T de la Figura 4 y se traza desde el punto de inicio del bombeo con volumen cero hasta el punto que representa la terminación del bombeo y el volumen total acumulado que debe bombearse diariamente. La pendiente de esta gráfica representa el caudal de bombeo en el tanque durante el intervalo de tiempo considerado, o sea:

Q bombeo salida Tanque =

1382.40[m 3 ] 1000[l ] 1día 1[h] ⋅ ⋅ ⋅ = 48[lts / seg ] día 1[m 3 ] 8[h] 3600[ s ]

FIG. 4 [Ref. 11]

149 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

La combinación de las curvas masa de entrada y salida al tanque se muestra en la Figura 4 y del estudio de estas gráficas puede deducirse que: Y6

= Máximo volumen excedente

Y14 = Máximo volumen faltante Se requieren estos volúmenes máximos de almacenamiento para poder efectuar la regulación de los volúmenes de entrada y salida. Por consiguiente el volumen de almacenamiento que debe tener el tanque es: Volumen Tanque = ∑ [ Máximo excedente + Máximo faltante] Esta condición resulta al analizar las gráficas de la Figura 4 pues puede observarse que si a las cero horas empieza a llenarse el tanque, a las 6 horas, momento en que se inicia el bombeo de salida en este tanque, se tendrá un volumen máximo de entrada acumulado representado por la ordenada Y6, a partir de este punto como el caudal de salida del tanque es mayor que el de entrada, el volumen almacenado se va reduciendo y llegará un instante en que se vacíe dicho tanque; este instante se presenta en el punto E, donde se cruzan las dos curvas masa. Después de este punto y hasta las 14 horas (terminación de bombeo) el caudal de salida es mayor que el de entrada, por lo que, se tendrá un volumen máximo de almacenamiento faltante Y14, representado por la diferencia de ordenadas en el momento en que termina el bombeo de salida en el tanque, que es igual al volumen de entrada que se acumularía de las 14 a las 24 horas. Por lo tanto, para que no falte el agua, el volumen de almacenamiento tendrá que ser la suma del máximo volumen excedente más el máximo volumen faltante. Y6 = 316.80 [m3] – 0 [m3 ]

= 31680 [m3]

Y14 = 1382.40 [m3] - 892.80 [m3] = 489.60 [m3]

150 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

Entonces: Vol. tanque = Y6 + Y14 Vol. tanque = 316.8 [m3] + 489.60 [m3] = 806.40 [m3] ⇒ Volumen de regulación tanque = 806.40 m3 Calculo del volumen de reserva En la Norma Boliviana NB 689, recomienda considerar un volumen equivalente a 4 horas de consumo correspondiente al consumo máximo diario (Pág. 46). Como el caudal de salida del tanque es de 48 [l/s], el cual corresponde al caudal máximo diario entonces:

Volumen de reserva

48[l ] 1[m 3 ] 3600[ s ] 172.80[m 3 ] ⋅ ⋅ = ⋅ 4[horas ] = 691.2[m 3 ] [ s ] 1000[l ] 1[h] hora

⇒ Volumen de reserva = 691.2 m3 Calculo de volumen de lucha contra incendios [Ver 4.5.1.2] Como se trata de una población de 10000 habitantes se asume un tiempo de duración del incendio de 4 horas, para un caudal de incendio 32 [lts/seg] Con lo cual se tiene 32 [lts/seg] * 4 [horas] * 3600 [seg] = 460800 [lts] ⇒ Volumen contra incendios = 468.8 m3 Entonces el Volumen del tanque total será: Vreg + Vinc = 806.4 + 460.8 Vreg + Vres = 606.4 + 691.2

> VTANQUE

Volumen total del tanque = 806.40m 3 + 691.2m 3 = 1497.6m 3

⇒ Volumen total del Tanque = 1497.6 m3 151 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

CAP IV.- ALMACENAMIENTO

Ejemplo propuesto 1 El tanque de la Figura 5 es alimentado por una fuente de abastecimiento con el caudal de bombeo y el tiempo de bombeo indicado. Calcular el volumen del tanque por medio del método gráfico, curvas masa con volúmenes.

FIG. 5 ILUSTRACION DEL EJEMPLO PROPUESTO 1 [Ref. Elaboración Propia]

Ejemplo propuesto 2 En la Figura 6 es alimentado por una fuente de abastecimiento con el caudal de bombeo y el tiempo de bombeo indicado. Se pide calcular el volumen del tanque por medio del método analítico, procedimiento con volúmenes; y se pide calcular el volumen de lucha contra incendios y el volumen de reserva, suponiendo que la población es de 12000 habitantes.

FIG. 6 ILUSTRACION DEL EJEMPLO PROPUESTO 2 [Ref. Elaboración Propia]

152 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA