Captacion y Planta de Tratamiento de Agua Potable

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CAPTACIÓN, PRE-TRATAMIENTO Y TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE I) INTRODUCCIÓN Un sistema de abastecimiento de agua esta formado esencialmente por: la fuente de agua y su obra de captación, obras de conducción o transporte, almacenamiento, almacenamiento, tratamiento y distribución. Las fuentes de abastecimiento por lo general deben ser permanentes y suficientes, cuando no son suficientes se busca la combinación de otras fuentes de abastecimiento para suplir la demanda o es necesario su regulación. En cuanto a su presentación en la naturaleza, pueden ser fuentes superficiales (ríos, lagos, mar) o subterráneas (acuíferos). La captación de aguas de fuentes superficiales, sean ríos, lagos e incluso el mar deben llevar obras de captación adaptadas a las condiciones y características de la masa de agua a captar. Con el crecimiento de la sociedad este requiere mas, pero no solo a veces escasea el agua sino que su calidad en los puntos donde se encuentra y capta, desgraciadamente se ha ido deteriorando día a día con el propio desarrollo, esto obliga a un tratamiento cada vez amplio y complejo técnicamente. La eliminación de materias en suspensión y en disolución que deterioran las características físico- químicas y organolépticas así como la eliminación de bacterias y otros microorganismos que pueden alterar gravemente nuestra salud son los objetivos perseguidos y conseguidos en la estaciones de tratamiento a lo largo de todo un proceso que al final logra suministrar un agua transparente y de una calidad sanitaria garantizada. El tratamiento del agua es el proceso de naturaleza físicoquímica y biológica, mediante el cual se eliminan una serie de sustancias y microorganismos que implican riesgo para el consumo o le comunican un aspecto o cualidad organoléptica indeseable y la transforma en un agua apta para consumir. Todo sistema de abastecimiento de aguas que no esté provisto de medios de potabilización, no merece el calificativo sanitario de abastecimiento de aguas. En la potabilización del agua se debe recurrir a métodos adecuados a la calidad c alidad del agua origen a tratar. II) OBJETIVOS 

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Diseñar las captaciones de manantiales laterales y de fondo, estructuras para el pretratamiento del agua (sedimentadores o desarenadores) Diseñar las estructuras para el tratamiento del agua (floculador, decantador y filtro) Calcular la dosificación de los elementos químicos que se usaran para el tratamiento. Mejorar nuestros conocimientos y familiarizarnos con el tema.

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III) JUSTIFICACION La justificación para este trabajo es por asuntos académicos ya que para captación de manantiales no se usa la Planta de Tratamiento de Agua Potable; la PTAP PT AP se usa exclusivamente para captaciones de aguas superficiales, pero para ver como se haría cada uno de ellos usamos las dos formas (combinando). Además para una ciudad se hace captación de agua superficial (rio) ya que el caudal de los manantiales es muy pequeño.

IV) ALCANCES Para el diseño de la captación, pre  – tratamiento y la PTAP se tendrá en cuenta los siguientes datos:  

Caudal máximo diario. Datos otorgados por el docente como diámetro de partícula, temperatura del agua, velocidad de infiltración, tipo de floculador y el tipo de filtro.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA V) REVISION LITERARIA 1. TIPOS DE FUENTES DE AGUA 1.1 AGUA DE LLUVIA El aprovechamiento de las aguas de lluvia, se hace en aquellos casos, en los que no es posible obtener aguas superficiales y subterráneas, subterráneas, de costo adecuado, de buena calidad y cuando el régimen de lluvias sea importante. Para ello se utilizan los techos de las casas o algunas superficies impermeables para captar agua y conducirla a sistemas cuya capacidad depende del gasto requerido y del régimen pluviométrico. 1.2 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 a veces no existe otra fuente alternativa en la comunidad, siendo necesaria su utilización, para ello se debe contar con la información detallada y completa, que permita visualizar su estado sanitario, caudales disponibles y calidad de agua. 1.3 AGUAS SUBTERRANEAS Estas aguas constituyen parte del ciclo hidrológico y son las que se infiltran en el terreno, y que por percolación se mantienen en movimiento a través de estratos geológicos capaces de contenerlas y permiten su circulación, su explotación dependerá de las características hidrológicas y formación geológica del acuífero . 2. CAPTACIÓN La captación de aguas es una técnica antigua basada en un concepto simple: recoger la escorrentía procedente de una cuenca de captación más grande y concentrar el agua en una zona de conservación más pequeña a fin de aumentar el contenido de agua del suelo. Por otra parte, el agua de escorrentía puede almacenarse también en tanques, estanques y cisternas, para el consumo doméstico, para dar de beber al ganado o para el riego en pequeña escala. El agua de escorrentía puede recogerse de los techos y superficies de terrenos, así como de cursos de agua intermitentes o efímeros. En un contexto de escasez de agua, la captación aumenta la oferta porque, en otro caso, la mayor parte del agua recogida se evaporará en la superficie o por acción de la vegetación natural, o como consecuencia de avenidas. 2.1 RESEÑA HISTÓRICA DE LAS OBRAS DE CAPTACIÓN El hombre a través del tiempo siempre se ha ingeniado diversos sistemas para la captación del agua así como para la regulación de grandes y pequeños caudales motivados por el control y la obtención del agua. Se han encontrado en excavaciones de ruinas prehistóricas diversas estructuras de sistemas de abastecimiento de agua. Referencias bíblicas describen como construyen tanques y se conducía el agua a ciudades.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA En épocas muy remotas en los valles de los ríos Tigris y Éufrates se construían lagos artificiales que permitían regular las aguas de las crecidas de los ríos y almacenarlas para el consumo y riego. Los mesopotámicos acostumbraban a excavar canales y formar diques con el material extraído para evitar inundaciones. En Persia, Palestina, India y China, en época precristiana se utilizaban pozos para abastecer diversos usos. Además en Persia se llegaron a excavar pozos entre 25 y 100 metros de profundidad y en china de hasta 500 metros. 2.2 TIPOS DE CAPTACIONES CAPTACIONES DE QUEBRADAS O RÍOS

Para la construcción de tomas en quebradas es importante discutir el comportamiento de éstas en diferentes épocas. Aquí adquiere un papel importante el conocimiento local: saber en qué sitios encontramos agua durante todo el año, en dónde se producen desmoronamientos y deslizamientos que pueden afectar nuestro sistema, si durante las crecidas se arrastra mucho material y cuál es su tamaño, hasta dónde llegan los máximos y mínimos niveles de agua. Contar con toda esta información nos permitirá poder trabajar sobre una infraestructura acorde con las condiciones locales. Para determinar la ubicación de este tipo de captaciones, uno de los factores que más incide es el de la pendiente. Si bien es característico que estos cursos de agua tengan pendientes fuertes, en general los sitios más estables para construir son zonas con pendientes suaves. Aquí el arrastre de materiales de gran tamaño es menor, cuestión que nos puede asegurar un mayor resguardo de las estructuras que hay que construir. PRETRATAMIENTO:  El sistema de pretratamiento es una estructura auxiliar que debe preceder a cualquier sistema de tratamiento. Esta estructura persigue principalmente los objetivos de reducir los sólidos en suspensión de distintos tamaños que traen consigo las aguas La mayoría de las fuentes superficiales de agua tienen un elevado contenido de materia en estado de suspensión, siendo necesaria su remoción previa, especialmente en temporada de lluvias. Los procedimientos de separación de material muy grueso (rejillas: gruesas y finas) se realizan o están relacionados a las captaciones. Se considera como pretratamientos y acondicionamientos previos en la planta, a unidades como desarenadores y sedimentadores. En estas unidades se considera que las partículas, aun siendo de diferentes tamaños, se comportan como partículas discretas y aisladas. La sedimentación es un proceso muy importante; las partes del pretratamiento son los siguientes: - CRIBADO: Cribado o cernido; consiste en hacer pasar el agua a través de rejas o tamices, los cuales retienen los sólidos de tamaño mayor a la separación de las barras, como ramas, palos y toda clase de residuos sólidos. También está considerado en esta

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA clasificación el microcernido, que consiste básicamente en triturar las algas reduciendo su tamaño para que puedan ser removidas mediante sedimentación. - SEDIMENTACION (desarenador, sedimentador): Tiene por objeto separar del agua cruda la arena y partículas en suspensión gruesa, con el fin de evitar se produzcan depósitos en las obras de conducción, proteger las bombas de la abrasión y evitar sobrecargas en los procesos posteriores de tratamiento. El desarenado se refiere normalmente a la remoción de las partículas superiores a 0,2 mm.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA Componentes:

Zona de entrada: Tiene como función el conseguir una distribución uniforme de las líneas de flujo dentro de la unidad, uniformizando a su vez la velocidad. Zona de desarenación: Parte de la estructura en la cual se realiza el proceso de depósito de partículas por acción de la gravedad. Zona de salida:  Conformada por un vertedero de rebose diseñado para mantener una velocidad que no altere el reposo de la arena sedimentada. Zona de depósito y eliminación de la arena sedimentada:  Constituida por una tolva con pendiente mínima de 10% que permita el deslizamiento de la arena hacia el canal de limpieza de los sedimentos.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA - SEDIMENTADOR: Similar objeto al desarenador pero correspondiente a la remoción de partículas inferiores a 0,2 mm y superiores a 0,05 mm.

Componentes: Zona de entrada:  Estructura hidráulica de transición, que permite una distribución uniforme del flujo dentro del sedimentador. Zona de sedimentación: Consta de un canal rectangular con volumen, longitud y condiciones de flujo adecuados para que sedimenten las partículas. La dirección del flujo es horizontal y la velocidad es la misma en todos los puntos, flujo pistón. Zona de salida:  Constituida por un vertedero, canaletas o tubos con perforaciones que tienen la finalidad de recolectar el efluente sin perturbar la sedimentación de las partículas depositadas. Zona de recolección de lodos:  Constituida por una tolva con capacidad para depositar los lodos sedimentados, y una tubería y válvula para su evacuación periódica. Variables que afectan la sedimentación Corrientes de densidad: Son las corrientes que se producen dentro del tanque por efecto de las diferencias de densidad en la masa de agua y son ocasionadas por un cambio de temperatura (térmica) y/o por diferencias en la concentración de las partículas suspendidas en las distintas masas de agua (de concentración).

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA Corrientes debidas al viento: El viento puede producir corrientes de suficiente intensidad como para inducir cambios en la dirección del flujo. Corrientes cinéticas:  Pueden ser debido al diseño impropio de la zona de entrada o de salida (velocidad de flujo excesiva, zonas muertas, turbulencias) o por obstrucciones en la zona de sedimentación.

TRATAMIENTO (PTAP): El tratamiento del agua es el proceso de naturaleza físico-química y biológica, mediante el cual se eliminan una serie de sustancias y microorganismos que implican riesgo para el consumo o le comunican un aspecto o cualidad organoléptica indeseable y la transforma en un agua apta para consumir. Todo sistema de abastecimiento de aguas que no esté provisto de medios de potabilización, no merece el calificativo sanitario de abastecimiento de aguas. En la potabilización del agua se debe recurrir a métodos adecuados a la calidad del agua origen a tratar. Planta de Tratamiento de Agua Potable (PTAP) es la instalación donde se lleva a cabo el conjunto de procesos de tratamiento de potabilización situados antes de la red de distribución y/o depósito, que contenga más unidades de tratamiento.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA - DOSIFICACION: Es el proceso en el cual se agregara una o varias sustancia química de acuerdo a la turbiedad. PROCESO: Pruebe de jarras (6 unidades de un litro con dosis diferentes de sulfato) COAGULANTES:  Los principales coagulantes utilizados para desestabilizar las partículas y producir el floc son: Sales de Al (Sulfato de aluminio) Polielectrolitos (Silica activada / tuna-floc) Sulfato de Aluminio. Aluminato de Sodio. Cloruro de Aluminio. Cloruro Férrico. Sulfato Férrico. Sulfato Ferroso. Polielectrolitos (Como ayudantes de floculación).         

Siendo los mas utilizados las sales de Aluminio y de Hierro; cuando se adiciona estas sales al agua se producen una serie de reacciones muy complejas donde los productos de hidrólisis son mas eficaces que los iones mismos; estas sales reaccionan con la alcalinidad del agua y producen los hidróxidos de aluminio o hierro que son insolubles y forman los precipitados. - COAGULACION: Es un proceso de desestabilización química de las partículas coloidales que se producen al neutralizar las fuerzas que los mantienen separados, por medio de la adición de los coagulantes químicos y la aplicación de la energía de mezclado. En la siguiente figura se muestra como las sustancias químicas anulan las cargas eléctricas de la superficie del coloide permitiendo que las partículas coloidales se aglomeren formando flóculos. La coagulación es el tratamiento mas eficaz pero también es el que representa un gasto elevado cuando no está bien realizado. Es igualmente el método universal porque elimina una gran cantidad de sustancias de diversas naturalezas y de peso de materia que son eliminados al menor costo, en comparación con otros métodos. El proceso de coagulación mal realizado también puede conducir a una degradación rápida de la calidad del agua y representa gastos de operación no justificadas. Por lo tanto que se considera que la dosis del coagulante condiciona el funcionamiento de las unidades de decantación y que es imposible de realizar una clarificación, si la cantidad de coagulante esta mal ajustada. En esta figura se muestra como las sustancias químicas anulan las cargas eléctricas sobre la superficie del coloide, permitiendo que las partículas coloidales se aglomeren formando flóculos.

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Clasificación del Agua Según su Comportamiento en la Coagulación

- FLOCULACION: La floculación es el proceso que sigue a la coagulación, que consiste en la agitación de la masa coagulada que sirve para permitir el crecimiento y aglomeración de los flóculos recién formados con la finalidad de aumentar el tamaño y peso necesarios para sedimentar con facilidad. Estos flóculos inicialmente pequeños, crean al juntarse aglomerados mayores que son capaces de sedimentar.

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Suceden que los flóculos formados por la aglomeración de varios coloides no sean lo que suficientemente grande como para sedimentar con rapidez deseada, por lo que el empleo de un floculante es necesario para reunir en forma de red, formando puentes de una superficie a otra enlazando las partículas individuales en aglomerados, tal como se está mostrando en la Figura. La floculación es favorecida por el mezclado lento que permite juntar poco a poco los flóculos; un mezclado demasiado intenso los rompe y raramente se vuelven a formar en su tamaño y fuerza óptimos. La floculación no solo incrementa el tamaño de las partículas del flóculo, sino que también aumenta su peso. La floculación puede ser mejorada por la adición de un reactivo de floculación o ayudante de floculación. Tipos de Floculación Hay 2 tipos de floculación: Floculación Pericinética: Esta producido por el movimiento natural de las moléculas del agua y esta inducida por la energía térmica, este movimiento es conocido como el movimiento browniano. Floculación Ortocinética: Se basa en las colisiones de las partículas debido al movimiento del agua, el que es inducido por una energía exterior a la masa de agua y que puede ser de origen mecánico o hidráulico. Después que el agua es coagulada es necesario que se produzca la aglomeración de los microflóculos; para que esto suceda se produce primero la floculación pericinética luego se produce la floculación ortocinética. FLOCULADORES El agua y el elemento químico reaccionan y las partículas de limo y arcilla se agrupan para formar el FLOC. Los floculadores se clasifican en: Floculadores hidráulicos.- Están compuestos por una serie de pantallas cuya separación está en función del caudal y de la velocidad de viaje del agua. Estos floculadores a su vez pueden ser:

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA Horizontales.

Verticales.- En este tipo de unidades el flujo sube y baja a través de canales verticales formados por las pantallas. Es una solución ideal para plantas de medianas a grandes, porque debido a la mayor profundidad que requieren estas unidades, ocupan áreas más reducidas que los canales de flujo horizontal. Otra ventaja importante es que el área de la unidad guarda proporción con respecto a los decantadores y filtros, con lo que resultan sistemas más compactos y mejor proporcionados. Cuando se emplean floculadores de flujo horizontal en plantas grandes, el área de los floculadores es mucho mayor que el área de todas las demás unidades juntas.

Floculadores mecánicos.- Estos floculadores necesitan de energía para su funcionamiento lo que los hace más costosos. Pueden ser: - Rotatorios. - Recíprocos.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA - DECANTACION: Es el proceso de sedimentación de los flocs, toma el nombre de decantación, pudiendo ser este del tipo convencional o del tipo de alta velocidad (tecnología relativamente nueva). Es importante analizar el paso del decantador al filtro, para ello se debe tener en cuenta que su velocidad sea la mínima. DECANTADOR: Estructura encargada de retener los flóculos formados al añadir al agua elementos químicos. Sus partes son: Zona De Entrada.- Permitirá la distribución uniforme del flujo dentro del decantador: vertedero y pantalla de orificios.  Zona De Sedimentación.- Conformada por una estructura rectangular con volumen y por consiguiente con longitudes adecuadas para la sedimentación de los flóculos. Existe estructuras convencionales y las de alta velocidad (placas o conductos). Zona De Salida.- Constituida por un vertedero, canaletas o tubos con perforaciones  que tienen la finalidad de recolectar al afluente sin perturbar la sedimentación de las partículas.  Zona De Recolección De Lodos.- Zona conformada por una tolva, una tubería y una válvula. 

- FILTRACION: La filtración es un proceso físico fundamentado en el paso de una mezcla sólido - fluido (líquido o gas) a través de un medio más o menos poroso, el cual retiene los sólidos permitiendo, por el contrario, el paso del fluido. Las aplicaciones de los procesos de filtración son muy extensas, encontrándose en muchos ámbitos de la actividad humana, tanto en la vida doméstica como de la industria general. MECANISMO DE RETENCIÓN Pueden ser: a) Filtros en superficie (en torta, sobre soporte): Cuando las partículas tienen un tamaño suficiente, quedan retenidas en la superficie filtrante, perpendicularmente al flujo del agua. b) Filtros en profundidad (en volumen, sobre lecho filtrante): Cuando las partículas tienen un tamaño pequeño, pueden quedar adsorbidas en el interior de la masa porosa por diferentes mecanismos (Van der Waals, coagulación…)

c) Filtros tangenciales: Análogos a los filtros en superficie, pero con la diferencia de que el agua circula paralelamente a la superficie de filtración.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA FILTROS: Ultima estructuras que da un Tratamiento Físico al agua; pueden ser clasificados en: FILTRO LENTO: La filtración lenta tiene por objeto la depuración de las aguas de superficie, sin coagulación, ni decantación previa. Estos filtros están construidos de tal forma que el agua fluye muy despacio a través de un lecho de arena fina, quedando retenidas en la superficie del filtro las partículas de mayor tamaño. De esta manera se forma una capa biológica porosa muy delgada, pero con una gran superficie de contacto en sus poros, que favorece la adsorción de impurezas. Después de lavados estos filtros, la calidad del agua filtrada no es satisfactoria, por lo que debe verterse al desagüe hasta que se forme la membrana biológica, para lo cual se precisan varios días. Son aquellos que están conformados comúnmente por arena y antracita, las cuales se soportan sobre grava. Son de tipo descenderte y por lo general necesitan de energía para su retrolavado (reflujo por una bomba: tiempo de 8 minutos con un volumen de 4 veces el del filtro). Ventajas: El mecanismo biológico de esta filtración es muy efectivo para la eliminación de microcontaminates. Además, se produce una reducción de la turbidez inicial del agua y de los coliformes de hasta un 90 o 99 %. Inconvenientes: Estos filtros son especialmente sensibles a un desarrollo fuerte de plancton, que puede producir un atascamiento superficial. Además, se necesita una gran superficie de terreno para su instalación.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA FILTRO RÁPIDO: En el proceso de filtración rápida, el agua atraviesa el lecho filtrante a velocidades de 4 a 50 m/h. La arena, que es el material más empleado como medio filtrante, puede reposar sobre un lecho de grava. El tamaño efectivo de la arena de la capa filtrante oscila entre 0.5 y 1.5 mm de diámetro, mientras que el tamaño de la grava de la base puede oscilar entre 35 y 130 mm, dispuesta en capas de menor a mayor grosor. El espesor de las capas es variable en función del agua a tratar y del rendimiento que se quiera obtener. El espesor de la capa de arena puede oscilar entre 40 y 70 cm y el de las capas de grava entre 30 y 60 cm. En función de las características del agua a tratar puede ser conveniente el diseño de filtros multicapa, consistentes en dos o más capas de materiales filtrantes de características diferentes. Este tipo de filtros contiene como lecho filtrante a cualquier material estable; en Plantas de Tratamiento de Agua Potable es usual tener como material granular a la arena, por ser más barata, inerte y durable. En el proceso de filtración existe una serie de mecanismos, entre otros tenemos: cernido, sedimentación, impacto inercial. Intercepción, difusión.

MECANISMOS DE FILTRACIÓN Como las fuerzas que mantienen a las partículas removidas de la suspensión, adheridas a las superficies de los granos del medio filtrante son activas para distancias relativamente pequeñas (algunos angstroms), la filtración es usualmente considerada como el resultado de dos mecanismos distintos, pero complementarios: transporte y adherencia. Inicialmente, las partículas a removerse son transportadas de la suspensión a la superficie de los granos del medio filtrante. Ellas permanecerán adheridas a los granos, siempre que resistan la acción de las fuerzas de cizallamiento debidas a las condiciones hidrodinámicas

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA del escurrimiento. El transporte de partículas es un fenómeno físico e hidráulico, afectado principalmente por los parámetros que gobiernan la transferencia de masas. La adherencia entre partículas y granos es básicamente un fenómeno de acción superficial, que es influenciado por parámetros físicos y químicos. 1. Mecanismos De Transporte La mayor parte de los trabajos realizados con el objeto de verificar los factores que influencian el transporte de las partículas, destacan la diferencia que existe entre la filtración de acción superficial y la de profundidad. En el primer caso, la formación de un manto de partículas removidas está localizado encima de las primeras capas del medio filtrante, es responsable por aproximadamente el 90% de la pérdida de carga total, mientras que, en el segundo caso, la penetración de partículas es profunda, produciéndose una distribución de pérdidas de carga en todo el medio filtrante. La acción física de cernido es un mecanismo dominar1te en la filtración de acción superficial, mientras que, en la filtración de acción a profundidad, este mecanismo es el de menor importancia entre, otros responsables por el transporte de las partículas. 2. Mecanismos De Transporte Combinado Es probable que todos los mecanismos actúen simultáneamente durante la filtración sin embargo, el grado de importancia de cada uno de ellos depende de las características de la suspensión y del medio filtrante. Normalmente se ha dado poca importancia a los efectos de la acción física de cernido y de impacto inercial durante la filtración. La eficiencia del medio filtrante para remover partículas de la suspensión por acción de los mecanismos de transporte, puede expresarse adecuadamente como una función de la intercepción, difusión, sedimentación y acción hidrodinámica. 3. Mecanismos de Adherencia La adherencia entre las partículas transportadas y los granos está gobernada principalmente, por las características de las superficies de las partículas suspendidas y de los granos. Las partículas se pueden adherir directamente tanto a la superficie de los granos como a partículas previamente retenidas. La importancia de las características de las superficies es evidente cuando se considera la filtración de una suspensión de arcilla en un lecho de arena con una velocidad de aproximación del orden de l. 5mm/s. La eficiencia de remoción es inferior al 20% cuando no se emplea coagulante; por lo tanto, la filtración de la misma suspensión coagulada con una sal de Al++ o Fe++ puede producir una eficiencia de remoción superior a 95%., En el primer caso se tiene una cantidad elevada de partículas estables, en, tanto que en el segundo caso, la mayor parte de las partículas fue desestabilizada.

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CARACTERISTICAS ENTRE DIFERENTES TIPOS DE FILTROS CARACTERISITCAS CARGA SUPERFICIAL DE FILTRACIÓN VELOCIDAD DE FILTRACIÓN

Filtro rápido con lecho mixto (arena y antracita)

Filtro rápido con lecho de arena

Filtro lento con lecho de arena

m3/m2/día l/seg/m2 

235.00 2.72

350.00 4.05

590.00 6.83

m3/m2/día l/seg/m2

87.50 1.01

117.50 1.36

157.00 2.03

m3/m2/día l/seg/m2 

7.00 0.081

9.33 0.108

14.00 0.162

cm/seg

0.272

0.405

0.683

cm/seg

0.101

0.136

0.203

cm/seg

0.0081

0.0108

0.0162

PROFUNDIDAD DE LECHO FILTRANTE

30  – 45 cm de grava 45  – 60 cm de antracita 15  – 30 cm de arena

30 -45 cm de grava 60  – 75 cm de arena

30 cm de grava 90 -110 cm de arena

DRENAJE

Falsos fondos o similares

Tuberías metálicas perforadas o placas porosas, falsos fondos, etc.

Tuberías perforadas de PVC o de polietileno

Igual a los filtros rápidos con lechos mixtos (0.8-1.2 m/min)

Raspando la superficie de la arena

LAVADO PERDIDA DE CARGA TIEMPO ENTRE LIMPIEZAS PENETRACI N DEL FLOR CANTIDAD DE AGUA USADA EN EL LAVADO TRATAMIENTO PREVIO DEL AGUA COSTO DE LA CONSTRUCCIÓN COSTO DE LA OPERACIÓN REA OCUPADA POR LOS FILTROS

Invirtiendo el flujo con agua proveniente de un tanque elevado o una bomba de lavado (0.6-1.0 m/min o 0.6-1.0 m3/m2/min) De 20 cm hasta 2.70 m máximo

De 30 cm hasta 2.70 m máximo

De 16 cm hasta 1.20 m máximo

12-48 horas

24-48-72 horas

20-30-60 días

Profunda

5 cm superiores (mayor cantidad)

superficial

1-3 % de agua filtrada

1- 6 % del agua filtrada

0.2 – 0.6 % del agua filtrada

Coagulación, floculación, decantación

Igual al anterior

Ninguna o aireación (rara vez floculación y decantación)

Mas abajo que el de los filtros lentos

Alto

Mas alto que el de los filtros lentos

bajo

---------

Mas grande que la de los f iltro rápidos de arena (aprox. 12 veces mas)

Mas bajo que de los filtros rápidos de arena Igual al de los filtros rápidos de arena ½ - 1/5 de la de los filtros rápidos de arena

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA - DESINFECCION (Cloración): La historia del desarrollo humano está asociada, en gran

medida, al estado sanitario de los distintos grupos que han habitado este planeta. En ocasiones, pestes y plagas, muchas veces aleatorias, coyunturales y únicas, han diezmado a países o regiones enteras. Sin embargo, hay enfermedades que parecen ser tan antiguas como el ser humano y su vigencia y protagonismo son parte de la vida cotidiana. Se trata de las enfermedades diarreicas. El “Reporte de Salud Mundial” de l a Organización Mundial

de la Salud de fin de siglo XX, ubica a las diarreas como la séptima causa de muerte en el mundo después de las enfermedades coronarias, los accidentes cerebro vasculares, las infecciones respiratorias agudas, el HIV/SIDA, las obstrucciones crónicas pulmonares y las condiciones adversas peri natales. Si bien esa colocación evidencia la importancia de las mismas, el dato de séptima causa de mortalidad queda empalidecido cuando la misma Organización Mundial de la Salud reporta que las diarreas son, de lejos, la primera causa de morbilidad en el ser humano, con cuatro mil millones de causas anuales. Se estima que en todo momento, casi la mitad de la población que habita el mundo en desarrollo está soportando un episodio de diarrea. Infelizmente, esa prolongada presencia en la vida de los seres humanos ha hecho que se pierda de vista la magnitud y el peso que la misma representa sobre la salud y la calidad de vida de los individuos y sobre la economía de la humanidad en su conjunto. Las diarreas tienen como causas, una deficiente nutrición, la inapropiada disposición de excretas, inadecuadas prácticas higiénicas, y una mala calidad del agua de bebida. Las primeras de esas causas podrían englobarse dentro del contexto de pobreza y de pautas culturales inapropiadas que aquejan a tantos, mientras que el último punto, el de la mala calidad del agua de consumo aparece como una responsabilidad de la ingeniería sanitaria y de otras ciencias asociadas. En todo el mundo, el mecanismo de desinfección más aplicado en los sistemas de abastecimiento de agua es el que emplea el cloro y sus compuestos derivados como agentes desinfectantes. Fue introducido masivamente a principios del siglo XX y constituyó una revolución tecnológica, que complementó el proceso de filtración que ya era conocido y utilizado para el tratamiento del agua. La cloración, tal como se ha expresado líneas arriba, incrementó en 50% la esperanza de vida de los países desarrollados. La desinfección en una Planta de Tratamiento es ya un proceso químico que se le da al agua haciéndola que sea capaz de ser consumida por La población. La desinfección se realiza con rapidez. Comunidades pequeñas con: - Cal clorada (Ca O Cl2) - Hipoclorito de Sodio (Na O Cl) - Hipoclorito de calcio (Ca O Cl) Ciudades, con: Cloro gas (Botellones o en cilindros) La cantidad de uno u otro compuesto utilizado se lo realiza controlando el cloro residual que se distribuye a la ciudad, el cual debe tener como mínimo 0.5 ppm y un máximo maximorum de 1.2 ppm de cloro.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA CLORACIÓN DEL AGUA CON CLORO GAS (Cilindro)

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 del manantial, ya que cualquier obstrucción puede tener consecuencias fatales; el agua crea otro cauce y el manantial desaparece. 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. MANANTIALES: Son fuentes de agua subterránea que afloran en superficie, y a las que más se recurre al momento de decidir de dónde captar el agua. Esto se debe principalmente a que aseguran una determinada calidad de agua frente a potenciales procesos de contaminación, mínimo o nulo contenido de sedimentos en suspensión y una mayor seguridad y facilidad en el diseño de la obra.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA TIPOS DE CAPTACIÓN DE MANANTIALES 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.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA  A. CAPTACIÓN DE MANANTIAL LATERAL A partir de un sustrato impermeable, el agua realiza un recorrido por acción de la gravedad, apareciendo en forma superficial en las laderas de los cerros. Es bastante común encontrarlos en la región altoandina, y pueden ser utilizados para abastecimiento de agua en comunidades rurales. De ellos hablaremos en el presente manual.

A su vez, de acuerdo con la forma en que el agua aparece en la superficie, los manantiales de ladera pueden ser clasificados como: Manantiales de ladera concentrados: Se identifican a estos manantiales cuando el agua surge en un espacio bien definido, localizado en forma puntual. Manantiales de ladera difusos También puede suceder que el agua surja en un sector más amplio, de diverso tamaño y en forma difusa, lo que genera un sector anegado sobre la superficie. En la región andina a este tipo de manantiales los conocemos como vegas o ciénegos. a) Aspectos generales La captación en manantial de ladera es una estructura que permite recolectar el agua del manantial que fluye horizontalmente, llamado también de ladera. Cuando el manantial es de ladera y concentrado, la captación consta de tres (3) partes: La primera, corresponde a la protección de afloramiento; la segunda, a una cámara húmeda que sirve para almacenar el agua y regular el gasto a utilizarse; y la tercera, a una cámara seca que sirve para proteger a la válvula de salida. b) Zona de afloramiento Para proteger la zona de afloramiento del agua se realizarán las siguientes acciones: Definir en campo las características de los componentes de la captación, en previsión a desastres naturales en la zona. 

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Deberá construirse muros en ala que sirvan de pantalla a las filtraciones subsuperficiales, las mismas que serán obligadas a ingresar en la cámara húmeda. Se realizará la impermeabilización del fondo del terreno excavado con una pendiente mínima de 2%, comprendido entre la cámara húmeda y las filtraciones a fin de que éstos discurran sobre aquél, y puedan ingresar en ella a través de los orificios perforados en el muro respectivo. Se colocará material clasificado en dos (2) capas. La capa inferior constituida por piedras con un diámetro mínimo de 2” colocadas hasta una altura de 5 cm por

encima del orificio superior de entrada a la cámara recolectora. La capa superior, será de material granular de espesor de ¾” a 1” hasta cubrir completamente el

nivel de las filtraciones y la excavación realizada . Luego, se procederá al sellado con concreto 1:4:8 de espesor no menor de 5 cm cubriendo el área comprendida entre los muros, y el comienzo de las excavaciones. c) Cámara húmeda (colectora) Es una estructura de concreto de sección rectangular. En esta cámara se recolectará el agua del manantial y está prevista de una canastilla, por donde saldrá el agua y pasará a la válvula de salida de la cámara seca, de una tubería de limpia y un cono de rebose que se instalará en un nivel más bajo que los puntos de afloramiento. d) Cámara seca (de válvulas) Es una estructura de concreto de sección rectangular. Estará separado de la cámara seca por un muro de concreto de 0,60 m de altura y 0,15 m de espesor. Se instalará una válvula de control para el registro del agua de la línea de conducción. e) Ubicación Será ubicada lo más cerca posible al afloramiento del manantial de ladera, con la protección necesaria ante la eventualidad de desastres naturales. f) Excavación La excavación para los cimientos tendrá una profundidad mínima de 0,80 m. Se removerá el material de relleno que quede adyacente al afloramiento mismo, de tal manera que el acuífero quede completamente descubierto. Se realizarán las excavaciones necesarias, a fin de garantizar la estabilidad de las zonas de afloramientos. Por ningún motivo se utilizarán explosivos o detonantes para las excavaciones. g) Cimientos Deberán cumplir con la finalidad estructural de estabilidad y, en caso que los planos indiquen, servirán de pantallas interceptoras de corrientes subsuperficiales de agua. h) Sellados Todas las excavaciones deberán ser rellenadas y compactadas, si fuera necesario selladas con concreto pobre. 

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA i) Prueba hidráulica Se llenará de agua la cámara húmeda y se observará atentamente las fugas. Debido principalmente a la porosidad del concreto. La prueba durará 24 horas; si no se producen filtraciones se dará por terminada la prueba; en caso contrario, se hará los resanes necesarios y se repetirá la prueba hidráulica hasta obtener resultados satisfactorios. B. CAPTACIÓN DE MANANTIAL DE FONDO El agua surge de manera ascendente, en zonas bajas o fondos de valles. En general están relacionados con agua subterránea proveniente de un acuífero confinado, que sale a la superficie por la presión ejercida en el acuífero.

También los manantiales de fondo pueden ser clasificados como concentrados o difusos, según la forma en que el agua aparece en la superficie. a) Aspectos generales La captación en un manantial de fondo concentrado es una estructura de sección cuadrada que sirve para colectar al agua. Esta estructura recolectora estará situada directamente sobre el afloramiento. La captación consta de dos (2) partes: la primera, corresponde a una cámara húmeda que sirve para almacenar el agua y regular el gasto a utilizarse; y la segunda, a una cámara seca que sirve para proteger la válvula de salida. b) Cámara húmeda (colectora) Es una estructura de concreto de sección rectangular. En esta cámara se recolectará el agua del manantial y está prevista de una canastilla, por donde saldrá el agua y pasará a la SISTEMA DE TRATAMIENTO Y ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA válvula de salida de la cámara seca, de una tubería de limpia y de rebose que se instalará en un nivel más bajo que los puntos de afloramiento. Asimismo, está prevista de una tubería de limpia. El nivel de agua en esta cámara no deberá sobrepasar la altura natural del afloramiento. c) Cámara seca (de válvulas) Es una estructura de concreto de sección rectangular. Estará separado de la cámara húmeda por un muro de concreto de 0,60 m de altura y 0,15 m de espesor. Se instalará una válvula para el control del agua de la línea de conducción y una válvula para limpia o desagüe. d) Ubicación Serán ubicados lo más cercano posible a los afloramientos (manantiales de ladera) o sobre ellas (manantiales de fondo). e) Excavación La excavación para los cimientos tendrá una profundidad mínima de 0,80 m. Se removerá el material de relleno que quede adyacente al afloramiento mismo, de tal manera que el acuífero quede completamente descubierto. Se realizará las excavaciones necesarias a fin de garantizar la estabilidad de la zona de afloramiento. Por ningún motivo se utilizarán explosivos o detonantes para las excavaciones. f) Cimientos Deberán cumplir con la finalidad estructural de estabilidad y, en caso que los planos indiquen, servirán de pantallas interceptoras de corrientes subsuperficiales de agua. g) Sellados Todas las excavaciones deberán ser rellenadas y compactadas, si fuera necesario selladas con concreto pobre. h) Prueba hidráulica Se llenará de agua la cámara húmeda y se observará atentamente las fugas. Debido principalmente a la porosidad del concreto. La prueba durará 24 horas; si no se producen filtraciones se dará por terminada la prueba; en caso contrario, se hará los resanes necesarios y se repetirá la prueba hidráulica hasta obtener resultados satisfactorios. VI) CALCULOS Y RESULTADOS Para el cálculo y el diseño de la captación, pretratamiento y la PTAP se combinará la captación de manantial (lateral y profundo) y captación de río, se elaborará o diseñará una PTAP, pero sabemos que la captación de manantial no necesita de PTAP, pero con fines académicos se diseñará la PTAP.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA VII) CONCLUSIONES 

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Concluimos que se logro diseñar las diferentes estructuras del sistema de captación, pre  – tratamiento, PTAP. Que en este caso no se necesita diseñar desarenador ya que la partícula es pequeña y solo necesitaría de un sedimentador. Se logro realizar la dosificación de los químicos usados para el tratamiento.

VIII) RECOMENDACIONES   

Plantear distintas alternativas de solución, de acuerdo a los inconvenientes que se presenten. Realizar los cálculos con delicadeza y precisión para así realizar un mejor diseño. El docente encargado debe brindar mayor información para así no tener dificultad en el diseño de las diferentes estructuras.

IX) TEMA DE INVESTIGACIÓN DISEÑO DE SISTEMAS DE CAPTACIÓN DEL AGUA DE LLUVIA La importancia de captar, almacenar y utilizar el agua de lluvia para uso doméstico y consumo humano es de gran relevancia para la mayoría de las poblaciones, sobre todo aquellas que no tienen acceso a este vital líquido. Esta opción permite satisfacer las necesidades básicas de la población; asimismo, ayuda a prevenir la presencia de enfermedades gastrointestinales. El sector salud reporta varios casos de muertes causadas por el consumo de agua que no cumple las especificaciones de calidad establecidas en las Normas Oficiales relativas a calidad del agua. Es importante identificar los principales componentes de un Sistema de Captación del Agua de Lluvia (SCALL), su funcionamiento, los criterios de diseño más sobresalientes, las características de los materiales de construcción, la forma de construir estos sistemas, su operación y mantenimiento, de tal forma que se puedan ejecutar los proyectos. Para ello debe considerarse lo siguiente:  Localización del sitio para establecer el SCALL,  Determinación de la demanda de agua por la familia o por la comunidad,  Cálculo de la precipitación pluvial neta,  Área de captación del agua de lluvia,  Diseño del sistema de conducción del agua captada,  Diseño del volumen del sedimentador por trampa de sólidos,  Diseño del sistema de almacenamiento del agua de lluvia captada,

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Diseño para el bombeo del agua almacenada al local de la planta de tratamiento, Diseño del sistema del tratamiento y/o purificación del agua de lluvia.

Localización del sitio para establecer el sistema La localización del sistema se realiza considerando la recopilación de información general, medio ambiente, identificación de impactos ambientales y programas de mitigación del predio. Determinación de la demanda de agua La demanda o dotación por persona, es la cantidad de agua que necesita una persona diariamente para cumplir con las funciones físicas y biológicas de su cuerpo. Además, considera el número de habitantes a beneficiar. La expresión matemática para calcular la demanda de agua es la siguiente:

Donde: Dj = demanda de agua en el mes j, m3/mes/población, Nu = número de beneficiarios del sistema, Dot = dotación, en l /persona/ día, Nd j = número de días del mes j, D anual = demanda de agua para la población,  j = número del mes (j = 1, 2, 3,., 12) 1000 = factor de conversión de litros a m3. Cálculo de la precipitación pluvial neta La eficiencia de la captación del agua de lluvia depende del coeficiente de escurrimiento de los materiales del área de captación, el cual varía de 0. 0. a 0.9 Coeficientes de escurrimiento (Ce) de los diferentes materiales en el área de captación.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA A continuación se presenta la fórmula para estimar la precipitación neta:

Cuando las precipitaciones medias mensuales sean menores de 50 mm y de baja intensidad (mm/hr), se recomienda no considerarlas, sobre todo si se presentan durante las épocas secas, ya que la cantidad y calidad del agua de lluvia no será de consideración para su almacenamiento. Consideraciones para la realización de los cálculos La información más útil que el técnico puede usar en el cálculo del área de captación del agua de lluvia es que por cada milímetro de agua de lluvia que cae sobre un metro cuadrado, se obtendrá un litro de agua. No obstante, existen coeficientes de ponderación que modifican el enunciado anterior debido a las pérdidas en las superficies de captación causadas por el rebote del agua al caer, la absorción, evaporación del agua y la pendiente de las superficies. En este apartado se les han asignado valores a dichos coeficientes, pero dado que su influencia depende de las condiciones de cada lugar en particular, los valores pueden ser modificados a criterio del técnico según los estudios previos y experiencias con que cuente. En el Cuadro a continuacion se muestra un análisis del volumen del agua de lluvia captado en litros, con relación al área de captación y precipitación pluvial promedio. Se han hecho algunas consideraciones para su utilización, tomando en cuenta precipitaciones pluviales promedio de 1, 10, 100, 1,000, 2,000 y 3,000 mm y áreas de captación de 1 hasta 10,000 m2 en múltiplos de 50 m2. De esta forma, se puede obtener el volumen del agua de lluvia a captar para cualquier condición, mediante las sumas correspondientes a las intersecciones de precipitación contra el área de captación. Si por ejemplo, se tiene una área de captación de 1 m2 y se cuenta con una precipitación de 110 mm, el volumen de agua captado es de 110 l, que se obtiene de sumar el valor correspondiente a las intersecciones de la hilera del área de captación correspondiente a 1 m2 con la precipitación de 10 mm (10 l) más la de 100 mm (100 l). Para encontrar el volumen real de agua captada, el valor que se ha determinado en el cuadro, debe ponderarse con la eficiencia en la captación del agua de lluvia.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA Volumen de agua captado en litros con relación al área de captación y a la precipitación pluvial promedio

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA Método gráfico para calcular el potencial de captación del agua de lluvia

Método gráfico para obtener el volumen de agua captada (litros) por unidad de superficie (m2).  Área de captación del agua de lluvia El área de captación del agua de lluvia se obtiene con la ecuación: A =a × b Donde: A= Área de captación, m2 a= Ancho de la casa, m b= Largo de la casa, m En caso de que no exista el área de captación del SCALL, se diseñara en función de la demanda anual de los habitantes a beneficiar y de la precipitación pluvial neta anual.

Donde: Aec = es el área de captación necesaria para abastecer la demanda de agua a una familia o comunidad, en m2 D anual = demanda de agua anual que necesita una población, SISTEMA DE TRATAMIENTO Y ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

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Sistema de conducción del agua de lluvia captada El agua pluvial captada en techos y áreas de escurrimiento debe ser conducida al sistema de almacenamiento, mediante canaletas de lámina galvanizada y tubería de PVC. Cuando la pendiente es mayor al 10% y se trata de laderas colectoras del agua de lluvia, es necesario contar con un dispositivo hidráulico o un sedimentador para reducir la velocidad del agua y al mismo tiempo sedimentar los sólidos en suspensión contenidos en el escurrimiento del agua del área de captación. El caudal de conducción en la tubería se obtiene con la siguiente expresión:

El diámetro se determina despejando el área de la ecuación de continuidad (Sotelo, 2005).

Otra opción para determinar el diámetro es considerar las pérdidas de carga con las deducciones de Swamee y Jain, 1976, para flujos en tuberías, como sigue:

Con la Fórmula de Darcy . Weisbach, se obtiene la pérdida por fricción de un tubo.

Donde: Qc = caudal de conducción, lps, 5/18 = Factor de conversión de m3 h-1 a lps, Aec = es el área efectiva de captación del agua de lluvia, m2, Lluvia = es la intensidad máxima de lluvia en la zona, 0.05 m h-1, D = diámetro de tubería, m, L = longitud del tubo, m, hL = pérdida por fricción, m, f = es el factor de fricción, adimensional, g = aceleración de la gravedad, m s-2, V = velocidad media, m s-1. Canaletas para colección y conducción Las canaletas son accesorios para colectar y conducir los escurrimientos pluviales a un sistema de almacenamiento, sus dimensiones están en función de la duración de la precipitación (cortas y homogéneas), tiempo de concentración del agua, la longitud del área de paso y de su pendiente. SISTEMA DE TRATAMIENTO Y ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA En un área de captación el tiempo de concentración es un parámetro fundamental en el estudio hidrológico de una cuenca y áreas de escurrimiento con pendiente, está descrita por expresiones matemáticas, que basándose en características físicas del área de captación o de la cuenca proporcionan un hidrograma resultante.

Hidrograma triangular: caudal máximo (Qp), tiempo de concentración del caudal máximo (tb), y el tiempo en que se produce el caudal máximo (tp). Donde: t base = tiempo de concentración del hidrograma, h t p = tiempo en que se produce el caudal máximo, h t c = tiempo de concentración, min La secuencia para determinar el caudal máximo de una tormenta es la siguiente: 1. Calcular el tiempo de concentración (tc) mediante la fórmula de Kirpich:

Donde: S = es la pendiente media, L es la longitud del área de captación en m y tc resulta en h. 2. Tiempo (Tp) en que se alcanza el máximo escurrimiento en la cuenca o área de captación, se estima mediante la expresión: tp = 0.5 D+0.6 tc Donde: D = Duración de la precipitación efectiva, h Cuando no se conoce la duración de la precipitación máxima diaria se utiliza la ecuación: 3. Tiempo de concentración del caudal máximo (tb).   Se calcula para drenar todos los escurrimientos superficiales del área de captación impermeable, se estima con la siguiente ecuación: tb = 2.67 tp 4. El gasto máximo (Qp).  El gasto esperado con la precipitación neta en el área de escurrimiento se estima con la expresión:

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA Donde: P = precipitación efectiva, mm A = área de captación o de la cuenca, km2 0.278 = factor de conversión a m3 s-1 5. Estimación del área de la canaleta El flujo en canaletas de captación y conducción se comporta como un flujo espacialmente variado, ya que el agua se va recolectando a lo largo de la canaleta, para determinar el área necesaria de conducción se utiliza la ecuación de continuidad, en la cual solo se despeja el área y se asumen velocidades promedio de 0.9 m s-1 en pendientes 2 a 4% y 1.2 m s-1 en pendientes 4 a 6%.

Donde: Q p= flujo en la canaleta, m3 s-1 v = velocidad del flujo en la canaleta, m s-1 (la velocidad en canaletas con pendiente de 4 a 6% es de 1.2 m s-1) A = área de la sección transversal, m2 En el cuadro siguiente se muestran las expresiones para determinar las dimensiones de algunas secciones usadas como canaletas. Altura, Área hidráulica, Perímetro mojado y Radio hidráulico en secciones para colectar el agua de lluvia.

Diseño del volumen del sedimentador o trampa de sólidos La sedimentación es un proceso físico que consiste en la separación, por la acción de la gravedad, de las partículas suspendidas cuyo peso específico es mayor que el del agua. Las variables de diseño de la trampa son el área efectiva de captación del agua de lluvia y la intensidad máxima de precipitación registrada considerando un valor de 50-100 mm/hora1, Anaya, 2005. V sedimentador = Aec * I p Donde: V sedimentador = volumen del sedimentador, m3 hora-1,

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA Aec = área efectiva de captación del agua de lluvia, m2, Ip = intensidad de precipitación, m hora-1. Cálculo de la intensidad de la precipitación La intensidad de la precipitación (Ip) para una tormenta es la relación, de la lámina de precipitación entre el tiempo de duración de la tormenta, es decir la pendiente de las gráficas producidas por el pluviógrafo. La intensidad de lluvia máxima será la mayor pendiente observada para una tormenta según la ecuación siguiente .

Donde: Pr = la precipitación máxima registrada, mm h-1 t = tiempo de duración de la tormenta, h Diseño del sistema de almacenamiento del agua de lluvia captada El almacenamiento del agua de lluvia consiste en depositarla dentro de cisternas, para abastecer a una población considerada durante los meses de sequía y los de no sequía. Los materiales de construcción de la cisterna son de concreto, tabique o revestimiento con geomembrana, ésta resulta más económica, impermeable y proporciona agua segura para uso doméstico y consumo humano. La pendiente de los taludes de la cisterna depende de las características de cohesión de los suelos y de los ángulos de reposo del mismo (Sánchez, 2005). El criterio para el diseño del volumen de la cisterna consiste en considerar la demanda de agua mensual que necesita una población durante los meses de sequía más dos meses (coeficiente de seguridad) de acuerdo al CIDECALLI, con el objeto de asegurar el abastecimiento de agua a la población. Donde: V cisterna = volumen mínimo de la cisterna, m3, D j = demanda mensual, m3 mes-1, M sequía + 2 = meses con sequía más 2.  Análisis de estabilidad de taludes del sistema de almacenamiento y del sedimentador. Una vez determinadas las dimensiones del sistema de almacenamiento del agua captada y del sedimentador, se realiza un análisis de estabilidad de taludes o paredes, los cuales están en función del valor de los coeficientes del volteamiento y deslizamiento; para calcularlos se considera el peso volumétrico del terreno natural, la presión del líquido sobre la superficie plana, centros de presión y momentos segundos para una superficie plana. Bombeo del agua de lluvia almacenada Consiste en extraer el agua almacenada y captada en los meses con precipitación pluvial mediante un sifón o un equipo de bombeo. Los componentes son: pichancha, línea de

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA conducción, motobomba y un tanque de almacenamiento previo al tren de tratamiento de purificación. Términos hidráulicos En la sección anterior se han establecido los conceptos necesarios para estimar los requerimientos mínimos de agua para el abastecimiento de un grupo de personas o población. También se describieron los factores que determinan la demanda de agua. A continuación se presentarán los términos hidráulicos para estimar la potencia hidráulica de la bomba y extraer el agua almacenada. Espejo de agua. Superficie en reposo del agua dentro de la cisterna, pozo o noria. Nivel estático: Profundidad a la que se ve el espejo de agua en estado estacionario (cuando no hay extracción de agua). Es la distancia que hay desde el nivel de la superficie al espejo del agua. Está representado por B y se mide en metros, m. Nivel dinámico. Profundidad a la que se ve el espejo de agua en el proceso de bombeo (durante la extracción). Es la distancia que hay desde el nivel de superficie al espejo de agua durante el proceso de bombeo, se mide en metros, m. Nivel de descarga.  Altura a la que hay que llevar el agua. Distancia que hay desde la superficie hasta el borde superior del tanque de almacenamiento. Está representado por A y se mide en metros, m. Profundidad de abatimiento.  Diferencia de distancia entre el nivel estático y el dinámico. Está representado por C, se mide en metros.

Diagrama de bombeo de agua almacenada Altura de fricción. Distancia adicional que hay que agregar debido a la fuerza de fricción que oponen las paredes de la tubería, conexiones y válvulas, para el flujo de agua. Profundidad de succión. Es la distancia que hay desde el centro de una bomba superficial al espejo de agua, se mide en metros, m.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA - EAP. DE INGENIERIA HIDRAULICA Los parámetros hidráulicos referidos a los términos anteriores están basados en el concepto físico asociado al trabajo que se tiene que realizar, para un volumen de agua determinado a cierta altura, en contra de la fuerza de atracción gravitacional. En hidráulica, a la fuerza que hay que realizar para efectuar este trabajo, se le llama carga hidráulica. Carga estática. Es la distancia a la que hay que llevar el agua desde el nivel estático hasta el nivel de descarga (A+B). Carga dinámica o de fricción.  Carga adicional que aparece cuando el agua se desplaza dentro de la tubería, en toda su longitud, a un gasto dado, se simboliza por CF, también se mide en metros, m. Su cuantificación depende de factores físicos como el tipo de tubería, longitud y el gasto que circula por ella. Carga dinámica total. Es la carga hidráulica total en el proceso de bombeo, se simboliza por CDT. CDT = (A + B) + CF Potencia hidráulica (PH). Es la fuerza que debe tener la bomba para realizar dicho trabajo, en watts y esta dada por la expresión: 1 HP = 746 watts PH = 9.8 Q. CDT Donde, 9.8 es la aceleración de la gravedad, m s-2; Q el gasto o caudal, m3 s-1. Diseño del sistema de purificación del agua de lluvia El diseño está en función de un estudio físico y químico del agua de lluvia captada en la zona de estudio, para determinar unidades de turbidez, niveles de Sólidos Disueltos Totales (TDS) y Calcio/Magnesio (Dureza). De ello depende instalar equipos para cumplir con la Norma Oficial Mexicana NOM-041-SSA1-1993, bienes y servicios de agua purificada envasada. En seguida se presentan los parámetros anteriormente citados, sus unidades permisibles y el tipo de tratamiento para cumplir con la norma vigente, los parámetros se muestran en el Cuadro. Parámetros para seleccionar los tratamientos terciarios

Fuente: NOM-041 y IBWA.

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