Libro Abastecimiento de Agua - Ricardo Narvaez

Capítulo 1 Introducción al sistema de abastecimiento

1.1 S iste m a s de a b a s te c im ie n to de agua Un sistema de abastecimiento de agua es un sistema capas de captar, conducir, almacenar y distribuir agua a una localidad con ciertas características especíales, cumpliendo condiciones de cantidad y calidad del agua.

Para realizar un proyecto de abastecimiento de agua se debe realizar estudios previos a la localidad a dar el servicio, para determinar básicamente su capacidad de consumo y su crecimiento poblacional,

-

1.2 P artes de un s is te m a de a b a s te c im ie n to de a g ua Las partes que conforman un sistema de abastecimiento de agua por lo general son: Fuente de abastecimiento (río, laguna, manantial, pozos, agua de lluvia, etc) Obra de captación: presa, bocatomas, captaciones, etc. Línea de conducción Planta de tratamiento Líneas de impulsión Reservorio Línea de aducción Red de distribución (red matriz y secundaria).

r

C a p ítu lo 1

In tr o d u c c ió n al S is te m a de A b a s te c im ie n to

1.5 P e rio d o de d is e ñ o Antes de formular un proyecto de suministro de agua, es necesario determinar la cantidad requerida, lo cual exige tener información sobre el número de habitantes que serán servidos y su consumo de agua per cápita, junto con el análisis de los factores que pueden afectar el consuno.

Es común expresar el consumo del agua en litros por habitantes por día (l/hab/d), cifra que se obtiene dividiendo el número total dé habitantes de una ciudad entre el consumo diario

promedio un año. Debe tenerse en cuenta, sin embargo, que

utilizando la población total, puede, en algunos casos, producirse una seria inexactitud, si una parte de la población esta servida de manantiales propios. Una cifra más exacta sería el consumo diario por persona servida.

Antes de formular un proyecto de instalación de agua, debe decidirse el tiempo que la infraestructura servirá a la comunidad, antes de que deba abandonarse o ampliarse, lo que sería inadecuado. Por ejemplo, un depósito debe ser construido previendo que el servicio de agua que suministre y el tiempo de uso sean suficientes que pueda durar 30 años. Estos periodos se denominan periodos de vida, y tiene una relación muy importante con la cuantía de los fondos que deben ser invertidos en la construcción de las instalaciones de agua:

Puesto que muchas ciudades están creciendo en población, el periodo de vida depende principalmente del grado de crecimiento de la población. El problema consiste en prever, tan exactamente como sea posible, la población futura de 10, 20, ó 30 años.

1.5.1

D a to s b á s ic o s de d is e ñ o

La predicción del crecimiento de la población deberá estar perfectamente justificada de acuerdo a las características de la ciudad, sus factores socioeconómicos y su tendencia de desarrollo.

La población resultante para cada etapa de diseño deberá coordinarse con las áreas, densidades del plano regulador respectivo y los programas de desarrollo regional.

Sistema de A bastecim iento de agua

1.5.2

Ricardo Narváez Aranda

P e rio d o de d is e ñ o

Para el diseño, se estimará un lapso de tiempo que estará condicionado a las diversas fluctuaciones de los factores económicos y sociales, siendo este periodo, un límite probable durante el cual el sistema abastecerá en forma eficiente a la totalidad de la población futura.

Para proyectos de abastecimientos de localidades, así como para proyectos de mejoramiento y/o ampliación de servicios en asentamientos existentes, el periodo de diseño será utilizando un procedimiento que garantice los periodos óptimos para cada componente de los sistemas.

En un proyecto de abastecimiento de agua, la base fundamental es el estudio de ¡a población del área del proyecto, debido a que es este estudio el elemento de juicio que nos define los parámetros a considerar en la elaboración de dicho proyecto, se puede afirmar de esta manera que el periodo de diseño de un proyecto está relacionado directamente con el estudio de la población.

El periodo de diseño se puede entender como el tiempo que tiene que transcurrir entre la puesta en servicio de un sistema y el momento en que se da por terminado, pues las condiciones de diseño ya no satisfacen el abastecimiento de la población.

1.5.3

C rite rio s p ara fija r el p e rio d o de d is e ñ o

Los criterios son los siguientes: Tiempo - Población Consiste en fijar un periodo y luego estimar una población futura al finalizar dicho periodo. Se considera un muestreó -medio, ya que poblaciones jóvenes en vías de desarrollo no tienen bien definida la población futura, por lo que se fija en forma arbitraria el tiempo para el cual la población se estima.

Población - Tiem po Consiste en fijar primero la población y luego se determina el tiempo en el cual se

alcanzará

dicha

población.

La

aplicación

de

este

criterio

tiene

predominancia en ciudades grandes, de gran desarrollo y con poblaciones tendientes a la saturación.

4

C a p ítu lo 1

In tr o d u c c ió n al S is te m a de A b a s te c im ie n to

1.5.4 F a c to re s q u e a fe c ta n el p e río d o de d is e ñ o Los factores principales que van a determinar el periodo de diseño de un proyecto son los siguientes:

Factor E conóm ico La magnitud de cualquier proyecto está dada por el factor económico, siendo necesario escoger un periodo de promedio para prever una segunda etapa del proyecto, cuando las condiciones reales lo exijan, dentro de un tiempo determinado. Así mismo este periodo de diseño no puede ser de tiempo corto, sino a largo plazo para facilitar el aporte monetario de los futuros beneficiarios para el proyecto.

Es decir, si elegimos un periodo muy corto, el proyecto no será muy costoso, pero quedará obsoleto en un corto plazo, por lo que pasado un tiempo será necesario efectuar nuevos estudios y ampliaciones que exigen un mayor costo, debido a la devaluación monetaria, trayendo como consecuencia el poco poder adquisitivo; si elegimos un periodo de diseño muy largo, el proyecto será demasiado grande y exigirá una gran inversión de capital, dinero que en los primeros años es improductivo, porque el sistema no trabaja a capacidad máxima, teniendo una inversión social inerte.

Factor C recim iento de la Población Al calcular la magnitud de un proyecto se estudia la cantidad de personas que se va a seguir en el límite de tiempo de vida, es decir, se calcula para el último año (La máxima previsible).

Factor Material y Técnico Las consideraciones de estos factores para el periodo de diseño, implican la vida útil de las estructuras y equipos a usarse en el sistema que se pretende proyectar.

O bservación: frecuentemente cuando se considera el factor técnico para poblaciones pequeñas, resulta que, cuando se realiza el cálculo de tuberías, válvulas y demás accesorios, los resultados obtenidos nos dan cantidades menores a las establecidas por el reglamento, por lo tanto es recomendable para estos casos alargar el periodo de diseño.

5

Sistema de Abastecim iento de agua

R icardo Narváez Aranda

En el cuadro 1.1 se indica los periodos de diseño recomendables para determinadas instalaciones de acuerdo a sus características especificas.

CUADRO 1.1 PERIODOS DE DISEÑO RECOMENDABLES PARA DETERMINADAS INSTALACIONES

TIPO DE INSTALACIONES

CARACTERÍSTICAS ESPECÍFICAS

Ampliación difícil y Grandes presas y conductores de Costosa. aducción.

PERIODO (Años) 2 5 -3 0

Ampliación fácil, Crecimiento poblacional alto.

1 0 -1 5

Crecimiento poblacional bajo.

2 0 -2 5

Tuberías de más de 12”.

Sustitución costosa.

20 - 25

Tuberías de menos de 12".

Sustitución fácil.

1 5 -2 0

Edificios y reservorios.

Ampliación difícil.

3 0 -4 0

Maquinaria y equipo.

Vida corta.

10 - 20

Pozos, sistemas de filtros, decantadores.

distribución,

En conclusión periodo de diseño,'es el tiempo de servicio para el cual se calcula que las obras civiles e instalaciones, o bien es el número de años que durante el cual el sistema propuesto y sus componentes, obras e instalaciones trabajan eficientemente.

Por lo tanto, las Consideraciones de análisis que se debe tener en cuenta, son: a) Población futura. b) Vida útil de las estructuras. c) De la facilidad ó dificultad que se disponga para realizar ampliaciones posteriores. d) De las condiciones económicas

6

Capítulo 2 Fuentes de abastecimiento

Conocido el caudal que representa las necesidades de la población a servir, debemos analizar

las posibles fuentes de abastecimiento en la zona de estudio

para iniciar la captación y conducción del agua. Las principales fuentes de abastecimiento son el agua superficial y ei agua freática o subterránea, que para ser empleadas para el consumo humano deben cumplir las condiciones de calidad y cantidad.

Calidad El agua no debe estar afectada por elementos polucionantes (impurezas de origen fisicoquimico), ni contaminantes (impurezas de origen biológico). Cantidad La fuente tendrá la cantidad suficiente de agua para abastecer a la población en forma satisfactoria, el caudal máximo horario debe ser menor o igual al caudal del mínimo rendimiento. 2.1 P rin c ip a le s fu e n te s de c o n s u m o 2.1.1 A g u a de llu v ia Es posible recolectarlo a través de los techos de las viviendas. Su rendimiento bruto es proporcional a la superficie de recepción disponible, así como a la precipitación disponible de la zona.

El agua que se desliza sobre los techos es almacenada en

Sistema de Abastecim iento de A gua

cisternas

para

abastecimientos

R icardo N arváez Aranda

individuales

reducidos.

También

se

puede

almacenar para consumos comunales grandes por medio de cuencas mayores preparadas o colectores almacenados en depósitos para suministros comunales grandes.

2.1.2 A g u a s s u p e rfic ia le s Se conoce con este nombre a las aguas recolectadas por una cuenca hidrográfica y que corresponde a la escorrentía, es decir, el agua que discurre, descontando la evaporación y las filtraciones; las cántidades de agua a captarse depende del tamaño de la cuenca colectora. Estas están disponibles en ríos, lagos y lagunas.

Las captaciones superficiales deben asegurar: Continuidad del servicio. Seguridad de infraestructura, en lo que concierne al costo e inversión del proyecto.

Para cumplir con estos objetivos, una captación superficial debe tener en cuenta los siguientes factores: Debe estar ubicada en un punto de buena calidad de agua y además, debe encontrarse lejos de los puntos de contaminación y polución. La toma debe estar a nivel inferior del agua en época de estiaje. La ubicación de la toma debe ser zona estable en caudal. Se debe considerar las variaciones en el régimen del río (avenidas y estiaje).

Las captaciones de aguas superficiales, pueden ser tomadas de: Corrientes, estanques naturales y lagos de tamaño suficientes, mediante toma construida. De corrientes de flujo adecuado de crecientes, mediante toma intermitente De corrientes

con flujos bajos en tiempo de sequía pero con suficiente

descarga anual, mediante toma continua de almacenamiento de flujo excedentes al consumo diario.

2.1.3 A g u a s s u b te rrá n e a s Las aguas subterráneas constituyen parte del ciclo hidrológico y son aguas que por percolación se mantienen en movimiento a través de estratos geológicos capaces de contenerlas y de permitir su circulación. 8

Capítulo 2

Fuentes de Abastecim iento

Del agua que cae sobre la tierra en forma de lluvia, una parte se infiltra en el suelo, para convertirse en agua subterránea, parte es utilizada por las plantas para realizar su transpiración a través de sus hojas, parte se evapora directamente y otra parte, la hidroscopia, no se evapora en condiciones climáticas normales y es retenida por el suelo.

El agua percolada, pasa hacia zonas inferiores por acción de la gravedad, hasta que alcanza un estrato impermeable, entonces discurre en una dirección lateral hacia algunas salidas; la porción de tierra a través de la cual tiene lugar el movimiento lateral, se llama zona de saturación y su agua es llamada subterránea. El estrato o formación portadora de agua constituye el acuífero.

El nivel freático es la superficie superior de la zona de saturación. A menos que el acuífero este cubierto por un estrato impermeable, dicho nivel libre suele fluctuar considerablemente.

Un largo periodo de sequía llevará probablemente a un descenso del nivel, mientras que una lluvia causará una recarga y su elevación de nivel. Los afloramientos de aguas subterráneas ocurren siempre que la tabla de agua o manto freático corte la superficie del terreno y forme un estanque, fuente, marisma o corriente superficial.

Las aguas subterráneas tienes las siguientes características: Las aguas subterráneas constituyen importantes fuente de abastecimiento. Su temperatura es uniforme a lo largo el año. Las sequías prácticamente no los afectan. A veces el descenso de agua en los pozos, han causado alarma o han sido abandonados, lo cual se ha superado gracias a los modernos métodos de investigación dél agua subterránea, que permite una aproximación muy segura para una prolongada, producción

Las captaciones de aguas subterráneas, pueden ser tomadas de: -

De manantiales naturales. De pozos.

-

De galerías filtrantes, estanques o embalses. De pozos, galerías y posiblemente con caudales aumentados con aguas provenientes de otras fuentes.

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R icardo N arváez Aranda

De pozos o galerías cuyo flujo se mantiene constante al retornar al suelo las aguas previamente extraídas de la misma fuente.

2.2 C o m p a ra c ió n e n tre a g u a s s u p e rfic ia le s y s u b te rrá n e a s A continuación se presentan los cuadros 2.1 y 2.2 con los aspectos cuantitativos y cualitativos de este tipo de fuentes de abastecimiento.

CUADRO 2.1 ASPECTO CUANTITATIVOS Y DE EXPLOTACIÓN

AGUAS SUPERFICIALES

10

AGUAS SUBTERRANEAS

Generalmente aportan mayores

Generalmente solo disponen de caudales

caudales

relativamente bajos

Caudales variables

Poca variabilidad del caudal

No siempre precisan bombeo

Generalmente requieren bombeo

Generalmente la captación debe

Permite mas cercanía al sitio de

hacerse distinta del sitio de consumo

utilización

Costos de bombeo relativamente bajos.

Costos de bombeos mas altos.

Capítulo 2

Fuentes de Abastecim iento

CUADRO 2.2 ASPECTOS CUALITATIVOS CARACTERISTICA

AGUAS SUPERFICIALES

AGUAS SUBTERRANEAS

Turbiedad

Variable (bajo o muy alto)

Prácticamente ninguna

Color

Variable

Constante bajo o ninguno

Temperatura

Variable

Constante

Mineralización

Variable, generalmente

Constante y dependiente del

muy alto

subsuelo

Generalmente baja

Dependiendo del suelo,

Dureza

generalmente alta Variable, generalmente

Constante, generalmente

algo corrosivas

algo incrustantes.

Contaminación

Variable, generalmente

Constante, generalmente

bacteriológico

contaminadas

poca o ninguna

Contaminación

Expuestas a contaminación Protegida contra la

radiológica

directa

Estabilización

contaminación directa.

2.3. A c u ífe ro s Son formaciones geológicas capaces de contener agua y de permitir su movimiento a través de sus poros, cumpliendo dos funciones importantes: almacenar agua y conducirla.

4.3.1 C la s ific a c ió n dé A c u ífe ro s Dependiendo de la presencia o ausencia de una masa de agua, los acuíferos se clasifican en: acuíferos libres y acuíferos confinados

A cuíferos lib re s o no confinado Son aquellas formaciones en las cuales el nivel de agua coincide con el nivel superior de la formación geológica que la contiene, es decir, la presión en el acuífero es la presión atmosférica.

A cuíferos confinados Llamados también artesianos, en los cuales el agua esta confinada entre dos estratos impermeables y sometida a presiones mayores que la presión atmosférica

Sistema de Abastecim iento de A g ua

En los

acuíferos

Ricardo N arváez Aranda

libres,

elevaciones en la mesa

de

agua

dependen

principalmente de cambios de volumen del agua almacenada, mientras que en los acuíferos confinados los cambios de elevación dependen primordialmente de cambio de las presiones mas que de cambios de volúmenes almacenados.

La figura representa los distintos tipos de acuíferos según la presión hidrostática del agua contenida en ellos.

a c u If e r o u b r e

Figura 2.2 Tipos de acuíferos

A continuación

se

presenta

algunos conceptos

básicos

para

entender

las

terminologías usadas en acuíferos:

Mesa

de agua.-Nivel superficial de agua subterránea el cual no permanece

constante. Tiene cierta inclinación. Napa de Agua.- Masa de agua que circula en el acuífero. Napa freática.- Mesa de agua a presión atmosférica. Napa artesiana.-Presión de la napa mayor que la atmosférica en todos sus puntos. Interfase.- Puntos de encuentro de agua dulce y agua salada (existen fuertes presiones) Infiltración.-Movimiento de agua a través de la superficie: del suelo hacia el interior de la tierra. Percolación.-Movimiento de agua a través del suelo. Pozo.- Estructura hidráulica, que permite efectuar la extracción económica de agua del acuífero. Pozos freáticos.- Aquellos, qlie penetran hasta aguas freáticas. 12

Capítulo 2

Fuentes de Abastecim iento

Pozos co n finados.- Aquellos, donde el agua del subsuelo se encuentra bajo presión hidrostática, a causa de su confinamiento por una capa de material impermeable, y generalmente su nivel de agua es mayor al del acuífero.

2.3.2 D is trib u c ió n de a g ua en el s u e lo para a c u ífe ro s lib re s El agua en el subsuelo se considera distribuida en dos grandes zonas terrestres, una zona superior no saturada, separada y una inferior saturada, separada ambas por una especie irregular en contacto con la atmósfera conocida como tabla de agua o nivel freático. Zona saturada: conocida también, como acuífero o medio poroso saturado, se ubica por debajo de la tabla de agua y puede extenderse a grandes profundidades. Zona no saturada: conocida también, como zona badeas o medio poroso no saturado comprendida entre la tabla de agua y el nivel del terreno, se caracteriza, por que los poros del suelo pueden contener agua, vapor de agua y aire, es una zona de aireación, la franja capilar y la región intermedia.

Área de recarga » ..— ... - .......................... .....................

Área de descarga > 4............. ............... ........ ........»

Tiempo de tránsito « — Línea de flujo

Figura 2.3 Acuíferos y las aguas subterráneas

2.3.3 Pozos

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R icardo N arváez Aranda

Un pozo, es una perforación artificial que se realiza en el acuífero, con fines de captar aguas subterráneas. Se pueden clasificar en: Tubulares o profundos Excavados £> tajo abierto y Mixtos. Las características de los tipos de pozos se presentan en el siguiente cuadro 2.3:

CUADRO 2.3 CARACTERISTICAS DE LOS POZOS POZOS

CARACTERÍSTICAS

TUBULARES

EXCAVADOS

1 5 -3 0 0

5 - 15 m. •

Diámetro

2 " - 12”

0.5 - 3.0 m.

Rendimiento

1 5 -1 0 0

1 .0 -1 5 .0 m.

Profundidad

de

Explotación (m)

Tipo

Características

eje Tipo centrífuga

vertical-

de las bombas Estructuras

de

sumergido

de

paredes

Sin

Con

revestimiento

revestimiento

2.3.4 C a ra c te rís tic a s de lo s a c u ífe ro s La propiedad de los acuíferos de contener y conducir agua está gobernada por varios factores: porosidad, permeabilidad, transmisibilidad, producción específica y coeficiente de almacenamiento. El conocimiento de éstas características permite hacer una evaluación de la magnitud del recurso y su aprovechamiento racional sin peligro de agotarlo.

Porosidad Es el conjunto de aberturas (grietas o espacios inter granulares) o intersticios que presentan las rocas. Se expresa como la relación de vacíos respecto al volumen total. Mide la capacidad de una formación

para contener agua. La

porosidad varía desde valores muy altos en las arcillas (45%) hasta valores muy bajos en las formaciones de grandes cavidades o cavernas. La expresión para determinar el porcentaje de porosidad es: a = ( a/Vt) 100 Donde: a = coeficiente de variación (%) 14

Capítulo 2

Fuentes de Abastecim iento

a = relación de vacíos Vt= volumen total

Permeabilidad Es el volumen de agua que pasa en la unidad de tiempo, a través de una sección de acuífero de área unitaria (1m2), cuando el gradiente hidráulico es unitario y en condiciones de temperatura de 60 °F (15 °C). Representa la facilidad con que el agua fluye a través de los estratos. La permeabilidad tiene dimensiones de velocidad m/día o m3/día/m2: V=Ki Donde : V = velocidad K = permeabilidad i = gradiente hidráulico (- dy/dx)

K I/ Transm isibilidad Es una medida de la capacidad de un acuífero para conducir o trasmitir agua, y se define: como el volumen de agua que pasa en la unidad de tiempo a través de una franja vertical de acuífero de ancho unitario extendido en todo el espesor saturado, cuando la gradiente hidráulico es unitario. T= K m Donde: T = Transmisibilidad K = permeabilidad m = Espesor del acuífero

T . c—

=>

Retención específica (Rs) 15

Sistema de A bastecim iento de A g u a

'

R icardo N arváez Aranda

Es el volumen de agua retenido, dividido por el volumen total del material poroso y expresado como porcentaje: Rs= (ar/V t)*100

Donde: Ar = Volumen de agua retenido Vt = Volumen total Rs = Retención especifica

Producción específica Es la cantidad o volumen de agua que puede ser extraído. P s= ( ad / Vt)*100 Donde: ad = agua drenada Ps = producción especifica

Conclusión: De lo anterior se deduce que la porosidad es la suma de la producción específica y la retención especifica: u = Ps + Rs

C oeficiente de alm acenam iento Se define como el volumen de agua que es drenado por área unitaria, cuando la presión hidrostática desciende una unidad. Observación: en caso de acuíferos libres una disminución de un metro de presión equivale a un descenso unitario de la columna de agua. Mientras que en acuíferos confinados una disminución en la presión hidrostática se traduce en un aumento de presión de los estratos superiores sobre el acuífero. Como consecuencia de ello el agua se expande en pequeña cantidad y el acuífero se contrae por el peso de los estratos superiores.

2.4 H id rá u lic a de a g u a s s u b te rrá n e a s El aprovechamiento de un acuífero puede ocurrir bajo dos condiciones: Condición de equilibrio Condición de desequilibrio o no equilibrio

2.4.1 C o n d ic ió n de E q u ilib rio 16

Capítulo 2

Fuentes de Abastecim iento

Al extraer agua de un acuífero, por medio de un pozo, el aguase acerca al pozo desde todas las direcciones en forma radial, convergiendo hacia él, y el área de penetración va disminuyendo constantemente. El agua extraída en los momentos iniciales del bombeo procede de su alrededor, pero a medida que se prolonga el bombeo, el pozo se alimenta del almacenaje a distancias mayores, provocando en el acuífero la formación de un cono invertido que se denomina CONO DE DEPRESEION o cono de influencia.

En un cono de depresión para intervalos de tiempos iguales, permite notar que a medida que el tiempo se hace mayor, el hundimiento se hace menor. Esto concluye que el cono ha alcanzado una posición estable y no se expandirá más o hundirá con el bombeo, y que la condición de equilibrio se satisface.

La condición

de equilibrio se aplica para acuíferos libres y acuíferos;

confinados aplicando la Ley de Darcy.

Figura 2.4 Experimento de Darcy

N i v o i de R o f e r e n c ia

Fig. 2.1 E x p e r i m e n t o de Darcy

Darcy (1856), experimentó el flujo de agua subterránea en medios saturados, con un equipo similar al de la Figura 2.4

Donde: Q A As K

=Descarga -Sección transversal =Longítud de la muestra =Coeficiente de permeabilidad o conductividad hidráulica

17

Sistema de Abastecimiento de Agua

Ricardo Narváez .Anuida

a) C ondición d e e q u ilib rio en acuíferos lib re s

Q = 1.36A:

Ow C o n o d e ^ fe e t t íir u e r it o

\P'

A ffy o / .im a c ió n

I li t' i ;

h s

Irxw

Figura 2.5 Pozo en acuífero libre

Donde: Q = Caudal de bombeo (m3 /día) Rw - Radio de pozo bombeado (m) M - Espesor de manto acuífero (m> R = Radio de influencia del pozo (m) H = Altura de agau cundo se esta bombeando (m) hd = Altura que se deprime el agua (m) Z = Abatimiento ( Zmax= 67%H) (m) K = Permeabilidad ( m Vdía/m 2 ) T = Traasmisibilidad (m 3/día/m) T = Km

b) C ondición d e e q u ilib rio en acuíferos co n fina d o s

Q = 2.72 K m

ihi ~ h o )

log(

18

c ié

ho

Capítulo 2

Fuentes de Abastecimiento

Figura 2.6 Pozo en acuífero Semiconñnadó

S u p e r f ic ie P ie a a n is t z ia .

Figura 2.7 Pozo en acuííero Confinado

19

Sistema de A bastecim iento de A g u a

R icardo N arváez Aranda

1. El acuífero es isotropito. 2. El espesor es constante. 3. El pozo penetra todo el espesor del acuífero. 4. El nivel estático es horizontal. 5. El flujo es laminar. 6. La condición de equilibrio existe. 7. El pozo bombeado es 100% eficiente.

Las formulas de equilibrios deducidos, tienen utilidad práctica, a pesar de sus limitaciones, pues permiten determinar en el campo la permeabilidad del acuífero.

Bombeando

un pozo a un determinado gasto y midiendo los abatimientos en el

pozo bobeado y en una o más pozos de observación se puede determinar el valor del coeficiente permeabilidad del estrato acuífero. Acuíferos libres: K= {2.3 log (r1/ro) Q}/ { t t (hl - ho )} Acuíferos confinados: K = = {2.3 log (r1/ro) Q }/{2

tt

m (h1 - ho )}

Interferencia entre pozos, otra utilidad práctica de estas ecuaciones está en el conocimiento de la separación conveniente entre pozos, de modo que no se produzcan interferencias entre ellos. La distancia mínima para que no Se produzca interferencia entre dos pozos de igual características es 2R.

.PT,

PT 2

Figura 2.8 Interferencia entre dos conos de depresión En los acuíferos libres: El abatimiento máxima es el 67% dél espesor del acuífero o los 2/3 h . Lo cual hace desaconsejable su explotación para abatimientos mayores

Capítulo 2

Fuentes de Abastecim iento

2.4.2 M é to d o de d e s e q u ilib rio Según deducciones hechas por C.V. Theis, considera que el abatimiento (S) que se producen en un acuífero cuando se extrae un gasto Q constante, son funciones de tiempo. El método supone que los abatimientos se incrementan constantemente y la condición de equilibrio

o de estabilidad de los niveles no se satisface, lo cual

implica que el régimen.es variable.

2.5 P o zos tu b u la re s Son de diámetros pequeños que varían de 10-5Qcm y las profundidades pueden llegar a medir cientos de metros. Se ubican en acuíferos con buenos rendimientos. La perforación se efectúa mediante métodos de percusión y rotación.

'2 DO ECO11 30 JiVlHt-S Kj WW tZVl U WIUUU JO

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r i q . T ’ P é R F I L E S Q U E M A T IC O O C L A T U B E R IA P A R A

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O G w t o x i o s e * -a u ^ q

D E L P O Z O , M O S T R A N D O L A U B IC A C IO N EL LL E N A D O DE GRAVA.

'A ooti'tt

Figura 2.9 Pozos tubulares

21

Sistema de A bastecim iento de A g u a

ü

R icardo N arváez Aranda

___

___

I 1 J

/—

•p

c

m

£ =

C

m

C Z 3

1

r —

C U L I

c

m

C H S

c

m

—

C

c

m

n

c m

c

m

C

c m

i

3

’

p

Z

3

m

a

0

1 3

i ----- »

T 'í

a)Tipo puente

c m

l /----- »

b)Tipo persiana

c)Fabricación manual

d)Ranura continua

Figura 2.10 Tipo de ranuras para pozos

2.6 P ro b le m a s de a p lic a c ió n Problema 01 Para un pozo de 18” de diámetro, perforado en un acuífero libre de 48m de espesor, es bombeado durante 18 horas a razón de 25 Lts/seg. Un pozo de observación ubicado a 17m de distancia presenta para este tiempo un abatimiento de 4.80 m y otro a 25 m de distancia tiene un abatimiento de 2 m. Determinar a que distancia mínima se recomienda perforar otro pozo para extraer un gasto similar sin que se produzca interferencia con el primero.

Solución: D = 18" = 0.46 m

0.46 ro = — = 0.23 m 2

H = 48 mt Q = 25 l/s = 2160 m3/día S t = 4.8 m y

Sabemos: 22

S2 = 2.0 m

Capítulo 2

Fuentes de Abastecim iento

Q = 1.36 K

(h 2 - h o 2) lo g

„ 3 m7 d

v ro y

Relacionando los abatimientos entre el pozo bombeado (A) con los pozos de observación B y C:

/í

Pozo A

O =2160 m3/día Pozo B

Pozo de Estudio

Pozo C

'2.0 m

NF

\ So

/ // E / / / E / / / E / / / E / / / E 0.23 m

M

h->=46.0 m

i>=4 3.2 m

ho

H = 48 m

III

E /// E

III

E /// E

III

E

III

E

i-. = 17 m r-. = 25 m

A)

B)

Q 1.36K

Q 1.36K

h," - ho2 lo g

(43.2 )2 - ho2

1866.24- h o 2 1.87

log v ro y

V0.23 y

h2 -h o 2

(46)2 - ho2

lo g

log

ro

2 1 1 6 -h o 2

25

2.04

0.23

Igualando A y B 1866.24 - h o 2 1.87

2 1 1 6 - ho2 ”

2.04

ho = 29.68 mts

'Luego:

So = 48 - 29.68 K=

So = 18.32 m

1.87x2160 1.36(1866.24-29.682) 23

J

f

Sistema de Abastecim iento de A g u a

R icardo N arváez Aranda

K = 3.01 T = KH T = 3.01 (48) = 144.48 m 3/día/m Sí son 2 pozos ¡guales que tienen el mismo caudal de bombeo, la distancia que los separa será el doble del radio de influencia que tenga el pozo, es decir cuando el abatimiento de un pozo ficticio es cero —— log —• +ho2 = h 2 1 36K Vro )

r =114.49 Luego: D = 2 r = 2 (114.49) D = 228.98 mts

Se considera

D £ 230m

2.7 P ro b le m a s p ro p u e s to s

Problema 01 Se ha construido un pozo de 30cm de radio que tiene el estrato impermeable a una profundidad de 12 m con respecto a la superficie. Inicialmente, antes de realizar el bombeo, el nivel freático se encuentra a una profundidad de 2.5 m con respecto a la superficie. Realizado el bombeo de agua durante un periodo de 5 días a razón de 13 lps para alcanzar el nivel de equilibrio, se observa que en dos pozos situados a 26m y 90m de distancia se produce un descenso de 1.4 m y 0.8 m con respecto al nivel freático. Con los datos anteriores, calcular: a) La

■-

transmisibilidad y la profundidad de agua en el pozo, con respecto a la

superficie del terreno. b) A que distancia mínima se recomienda perforar otro pozo para extraer un gasto similar sin que se produzca interferencia con el primero.

•Problema 02 Para un pozo de 20” de diámetro, perforado en un acuífero libre de 48 m de espesor, es bombeado durante 18 horas a razón de 25 1/seg. Un pozo de observación ubicado a 17m de distancia presenta para este tiempo un abatimiento de 4.50m y otro a 25 m de 24

Capítulo 2

Fuentes de Abastecim iento

distancia tiene un abatimiento de

1.5 m. Determinar a que distancia mínima se

recomienda perforar otro pozo para extraer un gasto similar sin que se produzca interferencia con el primero. Problema 03

Se ha perforado un pozo tubular de 8 pulg de diámetro en una acuífero libre, para extraer agua a

razón de

12 l.p.s.

El estrato impermeable se encuentra a una

profundidad de 34m y el nivel freático antes de realizar el bombeo se encuentra a 12 m con respecto a la superficie. Los abatimientos de los pozos de observación y su distancia del pozo bombeado, se indican el cuadro. Calcular: a) La transmisibilidad y la profundidad de agua en el pozo durante el bombeo, con respecto a la superficie del terreno b) Cual será la distancia mínima se recomienda perforar otro pozo para extraer un gasto similar sin que se produzca interferencia con el primero. Pozo de Observación

S(m)

D(m )

POl

2.80

18

P02

1.50

40

Problema 04 Para un pozo de 20” de diámetro, perforado en un acuífero libre de 45 mt de espesor, es bombeado durante 56 horas a razón de 25 l/s. Un pozo de observación ubicado a 14m de distancia presenta para este tiempo un abatimiento de 4.80m y otro a 36 m de distancia tiene un abatimiento de

un metro. Determinar: el

abatimiento e el pozo bombeado para un gasto mayor, la transmisibilidad del acuífero y a que distancia mínima se recomienda perforar otro pozo para extraer un gasto similar sin que se produzca interferencia con el primero.

Problema 05 Determinar el caudal bombeado para un pozo tubular de 12” de diámetro, perforado en un acuífero libre de 60m de espesor. Para esto se ha colocados dos pozos de observación ubicados a 9m y 45m de distancia y presentan abatimientos de 3.2m y 1.20m respectivamente. Se ha calculado para este tipo de suelo una transmisibilidad de 148m3/día/m. A que distancia el cono de depresión

presenta un abatimiento

nulo.

25

I

I

Capítulo 3 Demanda de Agua y Variaciones de Consumo

3.1. D em anda dé a g ua 3.1.1. C o n s u m o de a g ua Constituye el punto básico en todo sistema de abastecimiento de agua: Seda en función de dos factores: 1. Consumo por persona. 2. Cantidad de habitantes que se va ha considerar para la población. La predicción de crecimiento de la población deberá estar perfectamente justificada, de acuerdo a las características de la ciudad, de sus factores socio económicos y su tendencia de desarrollo.

En -el consumo de la población hay que considerar los consumos medios por habitante, los factores que intervienen en el mismo desarrollo de

la población

determinando asi la población futura y la forma escalonada en la construcción del .servicio.

3.3.2 D e fin ic ió n Se define como la cantidad de agua que requiere una población para satisfacer sus necesidades básicas. Es el promedio de los registros para un promedio anual entre el numero de días que tiene el año.

Sistema de Abastecim iento de A g u a

R icardo N arváez Aranda

Se denomina también consumo per cápita, y en la práctica establecen que el consumo de agua de una población esta dado en: Litros/ habitantes /día ( l/h/d) Galones por día

(gpd)

3.3.3 C la s ific a c ió n d e l c o n s u m o El agua potablé que se suministra a una población se clasifica de acuerdo a su empleo en: Consumo doméstico. Consumo público. Consumo comercial e industrial. Pérdidas y desperdicios. Consum o D om éstico Se refiere al suministro de agua potable a las viviendas pana uso sanitario, culinario, bebida, lavado, baño y riego de jardines particulares. Su consumo varía de acuerdo a las condiciones de vida de los consumidores.

Ejemplo de aplicación: El consumo doméstico disgregado para un Distrito en estudio es 6930 habitantes, aproximadamente es como sigue:

Cocina Higiene personal

20 l/hab/día . .

40 l/hab/día

Lavandería

30 l/hab/día

Bebida

05 l/hab/día

Riego de jardines

05 l/hab/día

Total uso doméstico

100 l/hab/día

Uso Com ercial e In d u strial Referido al suministro de agua a las instalaciones industriales y comerciales, su Importancia dependerá de las condiciones locales; se debe tener en cuenta aquellos locales comerciales o restaurantes de regular envergadura, donde se espera un consumo notorio, más no de las pequeñas bodegas que prácticamente funcionan como casa habitación con un consumo normal.

28

Capítulo 3

D em anda de A g ua y V ariaciones de Consum o

Ejemplo de aplicación: Para el uso comercial (-UC) se considera: Hotei 20 dorm. x 500 l/dorm/día

=

Mercado 4156m2 x 15l/m z/dia

= 62340

Restaurante 4 x 2000 l/m2/día

=

8000

Bares

=

7500

5 x 1500 l/m2/día

10,000

87840 U.C. = 87840 l/día =

12.68 l/hab/día

6930 hab.

Para uso industrial ( Ul )consideramos: Molino 2 x 2000 l/molino/día

U.l:

4000 l/día

=

= 4000 l/día

0.58 l/hab/dia

-

6930 hab. Uso Público Referido al consumo de los edificios públicos, como escuelas, hospitales, etc. y los servicios públicos riego de parques y jardines, limpieza de calles y protección contra incendios. Ejemplo de aplicación: Las dotaciones para estos fines, según el R .N .£. son:

Inicial: 250 alumnos x 50 l/alumno/día

— 12500

Primaria: 1050 alumnos x 50 l/alumno/día

=■ 52500

Secundaria: 795 alumnos x 50 l/alumno/día

=

39750

Parques y jardines: 5200m2 x 3 l/m2/día

=

15600

Centro Salud: 20 camas x 600 l/cama/día

=

Cementerio: 10,700 m2 x 2 I/m2/día

= ■ 21400

Municipalidad: 575 m2 x 6 l/m2/día

=

3450

Puesto Policial: 8 personas x 50 l/pers./día

=

400

Parroquia: 200 asientos x 3 1/ asiento /día Auditorio:

200 asientos x 3 l/asiento/día

Correo y Telecom.:

90 m2 x 6 l/m2/día

Agencia Bancaria: 100 m2 x 6 l/m2/día

Total

12000

='

600

=

600

=

540

=

600

=

159940 l/día

29

Sistema de A bastecim iento de A gua

R icardo N arváez Aranda

Uso Público = 159940

= 23.079 l/hab/día

6930 Uso Público = 23.08 l/hab/día Pérdidas y desperdicios Generalmente en un sistema de distribución se admite que las pérdidas son función directa de la edad, estado de conservación o instalación de las tuberías, es decir, para un sistema nuevo, las pérdidas serán menores y viceversa.

Ejemplo de aplicación: Considerando un 10% de pérdidas y desperdicios Pérdidas y Desperdicios = 0.10 (100+12.68+0.58+23.08) = 13.63 l/hab/día

En conclusión, la dotación per cápita

a considerar en el diseño será:

Dotación total = 100 + 1.2.68+0:58 + 23.08 +13.63 = 149.92 l/hab/día

D otación total (D)= 150 l/hab/día

3.3.4 D o ta c io n e s de a g u a p o r RNE Para determinar la dotación de agua para una población, el Reglamento Nacional de eBiPicAcfOfcjes (RNE) nos proporciona el cuadro 3.1 de dotaciones eh función del ¡r.

número de habitantes y el clima:

CUADRO 3.1 DOTACIONES DE AGUA SEGÚN POBLACIÓN Y CLIMA (D) Clim as P oblación

Frío

Tem plado y calido

a

10 000 hab

120 l/h/d

150 l/h/d

10 000 hab. a

50 000 hab

150 l/hd

200 l/h/d

más de 50 000 hab

200 l/h/d

250 l/h/d

De 2 000 hab

Fuente: Reglamento Nacional de fcDiFitkCíCMeS

30

Capítulo 3

Dem anda de A g ua y V ariaciones de Consum o

------------------------------- :----- -------- --- -------------------

También se considera

dotaciones de agua para localidades rurales en función al

número de habitantes y a las diferentes regiones del país como se muestran en los cuadros 3.2 y 3.3 respectivamente:

CUADRO 3.2 DOTACIONES POR NÚMERO DE HABITANTES Población (habitantes)

Dotación (D) (L/hab./día)

Hasta 500 500-1000 1000-2000 Fuente: Ministerio de Salud (1962)

60 6 0 -8 0 8 0 -1 0 0

CUADRO 3.3 DOTACIONES POR REGIÓN Dotación (D)

Región

Costa 60 Sierra 50 70 Selva Fuente: Ministerio de Salud (1984)

3.3.5 F a c to re s q u e in flu y e n en la d o ta c ió n de agua La dotación de agua es un valor muy variable dependiendo de los siguientes factores: 1. Estándar de vida, esta vinculado con el grado de desarrollo cultural. 2. Clima, es fundamental porque determina el habito de vida, esta asociado con la población.

'

3. Extensión de la red de desagüe.

^ .

4. Tipo de actividad (mercantil- comercial e industrial). 5. Calidad y costo de agua ( limita el consumo) 6. Tamaño de la población 7. Presión en el sistema de distribución (15m < Rango de presión < 50 m ). 8. Servicios públicos. 9. Perdida en la red. 10. Jardines particulares.

31

Sistema de Abastecim iento de A g ua

R icardo Narváez Aranda

3.2 V a ria c ió n d e l c o n s u m o de agua 3.2.1 V a ria c io n e s de c o n s u m o 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 sistema, estén satisfactoriamente diseñadas y funcionalmente adaptadas al conjunto; esto implica el conocimiento cabal del funcionamiento del sistema de acuerdo a las variaciones en los consumos- del agua, que ocurrirán para diferentes momentos durante el período de diseño previsto.

El consumo de agua de una población varia con las estaciones del año, de día a día, y de hora en hora, dependiendo esta variación del clima, de las costumbres y magnitud de la población, sin dejar de mencionar que también varían por causas eventuales.

En los meses de más calor se producirá mayor consumo de agua,

habiendo días dentro de un mismo mes en que la demanda es mayor que los demás meses.

Las variaciones que experimentan los consumos de agua tienen mucha

importancia en diseño de las diferentes estructuras y componentes del sistema de abastecimiento. Para los efectos de las variaciones de consumo se considerará las siguientes relaciones con respecto al consumo promedio diario anual (Qp). 3.2.2 V a ria c io n e s D ia ria s ( K i) Estas variaciones son analizadas diariamente, las cuales son ocasionadas por los cambios climatológicos, concurrencias a centros de trabajo, costumbres, etc. Lo principal es determinar el porcentaje máximo que alcanza la variación diaria en el día de máximo demanda, en relación con el consumo anual medio diario y para establecer este porcentaje es necesario determinar el COEFICIENTE MÁXIMO ANUAL DE LA DEMANDA DIARIA, llamado también coeficiente de máxima variación diaria o coefiqiente del día de mayor consumo) representado por Ki.

fC, = Vmd/ V diario anual Donde: Vmd

' = volumen máximo diario

(día de máximo Consumo o máximo diario)

V diario anual - Volumen promedio diario (consumo diario) Según RNE las variaciones diarias varían entre el 120% y 150 %: 32

Capítulo 3

D em anda de A g u a y V ariaciones de Consum o

CUADRO 3.4 COEFICIENTE DE MÁXIMA DEMANDA DIARIA K ! Zona

K1

Rural’ Urbana

1.2 1 ,2 -1 ,5

Por io general se recomienda un valor del 130 %:

= 1.30

El valor de K1, en caso de tener información respecto a la temperatura media de los años en estudio se puede utilizar la siguiente expresión:

K, = 1+ 0.028-35 (T e- 18.8o C)

Donde:

Te = temperatura del año en estudio

3.2.3. V a ria c io n e s H o ra ria s (K 2) Durante un día cualquiera, los consumos de agua de una comunidad presentan variaciones hora a hora, dependiendo de los hábitos y actividades domésticas de la población. Estas variaciones dan origen al COEFICIENTE MÁXIMO ANUAL DE LA , DEMANDA HORARIA, representada por “K2”, que varía según la población y corresponde a la hora de mayor demanda, cuyo valor según el RNE se considera entre el 180% y 250%, de acuerdo a la población como se muestra en el cuadro 3.5. CUADRO 3.5 COEFICIENTE MÁXIMO DE LA DEMANDA HORARIA

P oblación 2000 -

10000 hab.

Mayores de 10,000 hab

k2

2.5 1.8

Se recomienda por lo general una valor del 150%. K 2 = 1.5 3.3 G a sto s de d is e ñ o Los gastos de diseño que se consideran están en función a un porcentaje (coeficientes de variación) correspondiente al consumo promedio diario anual. Con estos gastos se podrá realizar el diseño de las líneas de conducción y de aducción.

Sistema de Abastecim iento de A g ua

3.3.1

Riotirdo Narváez Aranda

C o n s u m o P ro m e d io D ia rio A n u a l (Qp)

El consumo promedio diario anual, es el resultado de la estimación del consumo per cápita

estudiado en el acápite 3.3.3, para una población futura considerando un

periodo de diseño. Se calcula con la siguiente expresión:

Pr D 86400 Donde:

Q P = Consumo promedio diario (l/s) PF = Población futura (hab.) D

= Dotación (l/hab./día)

3.3.2 C o n s u m o M á x im o D ia rio (Q m d) El consumo máximo diario, se define como el día de máximo consumo de una serie de registros históricos observados durante los 365 días del año.

Considerando las

variaciones de consumo se puede determinar el caudal máximo diario = k , pf d 86 400 3.3.3 C o n s u m o M á x im o H o ra rio (Q m h) El consumo máximo horario, se define como la hora de máximo consumo del día de máximo consumo. Considerando las variaciones de consumo se puede determinar consymo máximo horario:

K 2 Pf D Q i - — — 86 400

"

3.3.4 G a sto de M á x im o M a x im o ru m También suele calcularse el GASTO MÁXIMO MAXIMORUM, que es aqüel que corresponde al Gasto Máximo horario del día de Máximo Consumo. _

_ k ] k 2 pf d 86400

34

Capítulo 4

Población de Diseño

4.1 D e fin ic io n e s La población Tiene dos significados: El mas común referido a los habitantes de un país El segundo al hecho de poblar o sea la población que ocupa un área física y se multiplica extendiendo su base geográfica, aspecto conocido como doblamiento

*

Estudio poblacional El estudio poblacional es uno de los primero trabajos que se realizan dentro del diseño del sistema de abastecimiento.de agua, y consiste en determinar la variación de crecimiento de la población y así determinar el número de habitantes que se podrían beneficiar con el servicio para el periodo de diseño. Todo estudio poblacional descansa sobre una basta cantidad de documentos como censos, encuestas, estudios socioeconómicos, etc.

Población actual Dentro de los conceptos de ingeniería se entiende por población actual a la población existente al momento de la toma de información necesaria para el respectivo proyecto de acuerdo a la información sobre la población actual.

Sistema de Abastecim iento de A g u a

R icardo N arváez Aranda

Población futura (Pf ) Toda población por regla general crece debido a los nacimientos, a la inmigración y a la anexión de otros centros poblados. Todos estos factores están influenciados por las fluctuaciones de los factores sociales y económicos.

4.2 P re g u n ta s b á s ic a s ¿Cómo se define el cre cim ie n to poblacional? El crecimiento de la población es el resultado de la dinámica demográfica, es decir de la interrelación entre los nacimientos, las defunciones y migraciones ocurridas en un determinado período. La población aumenta por efecto de los nacimientos y de las inmigraciones y disminuye a causa de las defunciones y emigraciones.

¿Cómo se m ide el crecim iento de la población? Se mide mediante el empleo de una ecuación matemática que describe e! cambio ocurrido en un determinado período, en el supuesto de que la tendencia experimentada ha sido la de una línea recta, una curva geométrica, o una curva exponencial

¿Cuales son los supuestos de crecim iento? C recim iento aritm ético: supone un crecimiento lineal o sea que cada año crece en una magnitud constante, por lo que su utilización es aconsejable solamente en periodos cortos: 6 meses 1 o 2 años.

C recim iento geom étrico supone un crecimiento porcentual constante en el tiempo, es aplicable a periodos largos, lo que desde el punto de vista demográfico se identifica más con el comportamiento real e la población.

4.3 M é to d o s de c á lc u lo de p o b la c ió n fu tu ra (Pf) Para proyectar el crecimiento poblacional existen dos métodos: Métodos Analíticos Métodos comparativos

4.3.1 M é to d o s a n a lític o s Supone que el cálculo de la población para una región dada se puede ajustar a una curva matemática. Este ajuste de las características de los valores de población censales, así como de los intervalos de tiempo en que estos se han medido, 36

Capítulo 4

Población de Diseño

presupone las condiciones en las cuales ellas se han producido, manteniéndolo durante todo el periodo de diseño, lo cual, no es real. Dentro de estos métodos tenemos: a) M. Aritmético b) M. Geométrico c)

M. Parabólico

d) M. de la curva normal logística e) M. de los incrementos variables f)

M. de los mínimos cuadrados.

g) Otros a) M étodo A ritm é tico Este método se emplea cuando la población se encuentra en franco crecim iento. Se emplea en el cálculo de poblaciones bajo la consideración de que estas, están cambiando en la forma de una progresión aritmética. El método es aplicable a una población dada, cuando las variaciones de ella (dp/dt = cte.) respecto al tiempo son independientes de la población considerada, es decir:

Pf = Pu + r (t - tu) Donde: Pf = Valor de la población buscada o futura. Pu = Valor de la población referencial, conocida por datos censales. (Población actual o del último censo) r = Razón de cambio de las poblaciones respecto al tiempo.

Se considera que este valor se mantiene constante cuando los valores de la población se encuentran espaciados en el tiempo, dados como conocidos dos valores del tiempo tu y to y los correspondientes a sus poblaciones en tales momentos ( Po y Pu) , el valor de r está dado por: - _

=

P u ~ P„ tu ~ r

Donde: At = Intervalo de tiempo en años: tu = Valor del tiempo del último censo t0 = Valor del tiempo en del censo anterior.

Sistem a de A bastecim iento de A g u a

R icardo N arváez Aranda

b) Método G eom étrico En este caso se efectúa el cálculo de poblaciones

considerando que las

variaciones de esta se producen en la forma de una progresión geométrica.

Se emplea estos métodos cuando la población esta en su iniciación o periodo de saturación, más no cuando está en el periodo de franco crecimiento.

Pu

r

P = P..

A / /

Po

Donde: P = Población a calcular Pu = Población del ultimo censo Po = población del ceso anterior At= tu-to

variación del tiempo

Ejem plo de aplicación

K 3 /2

Año 1940r 1950 r 1960, 1 9 70 ;r 1980v

i.o l $ l

n

AT 10 10 10 10

r 1.0251 1.0173 1.0123 1.0273

SUMA

4.0822 1.02054

P. 58760 75312 89435 101113 132425

=

4

r p

Año en estudio: Pf

=

30

2010

243 704 hab

*$ -

c) M étodo Parabólico Este método se usa preferentemente en poblaciones que se encuentran en el periodo de asentam iento o in icio (sólo se escogen 3 datos censales). La ecuación para calcular la población futura es: P = A + BX + CX2 Donde: P

= Población a calcular.

A

= Factor referencial paramétrico (dato inicial).

B y C = Factores referenciales dependientes. X 38

(2* 10-

= numero de años considerados desde el primer dato censal

C a p ítulo 4

= I . .Í + . C - r v .V } ( S * l f C l . - l M Í C s ^ r

p°bl‘“:“ " ‘"!D¡“ ik’

y«($ Ejemplo de aplicación f-J H i r f | \ Año 1940 1961 1972 1994

P0 P1 P2 Pf

X 0 21 32 54

P 1058 1286 2052

Formamos las ecuaciones y determinamos los 1.84 factores C = -27.72 B =

w®ft-A + $ y - h < L X 7 io n

Reemplazando tenemos: Población futura Pf=

z A - t f y l -b c io )2

)a - /osTl

I2 f¿ z + 8 C 2 i]+ C X v f' Z-t-f = 2.1 e>+2.lZCL

4918 hab

= »°Sf + 6 0 1 ) tC frf-

?*H r 3t s

;

c = 1.8.3 V i !

d) M étodo de la Curva Norma Logística Se aplica para el cálculo de poblaciones futuras,

partiendo de 3 puntos *",e>s^+rC-^-^2)#Jcf)

equidistantes y para aquellas que están cerca de su periodo de saturación, es decir, ciudades cuyas poblaciones son mayores de 100,000 habitantes.

P

-j

Ps

= 1

+

¡ a +• h(

Donde: Ps

= Población de saturación (Cantidad máxima de habitantes puede ocupar un área determinada)

P

= Población esperada en el tiempo t

ayb

= Constantes reales

e

= Base de logaritmos neperianos.

t

= Cantidad de intervalos iguales de tiempo

Condiciones: Se debe verificar las siguientes condiciones para poder utilizar el método (Cada 10, 15, 20 años se busca hasta que cumpla esta condiciones)

Po * P2 < P12 Po + P2 < 2P1 Procedim iento: 1. Se establece 3 valores de población Po, P1 y P2, las cuales se han medido a intervalos iguales de tiempo 39

Sistema de Abastecim iento de A g u a

R icardo N arváez Aranda

2. Determínese el valor de la población de saturación (Ps) en función de los datos anteriores:

2P o P , P2 - P^ j P o + P2)

P. =

PoP2 -P¡2

3. Evaluar la constante real “a” mediante la expresión:

Ps a = ln (^- l) Po

\

4. Calcular la constante real “b " , usando:

ln

Po ( Ps - Pt ) P\(Ps - Po )

5. Calcular la cantidad “t” del periodo de tiempos iguales para obtener la fecha buscada:

t = (Año deseado - año base) /(Intervalo de tiempo )

6. Reemplazar los valores de Ps, a, b y t en fórmula para determinar la población esperada

(P)

Ejemplo de aplicación

0 2 *?! ¿ v 2 Año 1970 1980 1990 2000

PO P1 P2 Pf

P 203210 281100 334580

- í - > 0 6 - Íl3?jf 1? ' ---- -— |o / o

1

Verificación de condiciones 1ra ■■ 2da

-11027 -24410

Calculo de los parámetros: Ps a b t

= = = =

387286.27 -0.099 -0.875 3

Pf = 363413 hab

40

C

< Iflc Z ti™ C o n * C C -. -

( (

0

-2, 9 -

Capítulo 4

Población de Diseño

e) M étodo de los Increm entos Variables Este método se basa en los datos de población, los dos más antiguos y los dos últimos (método de las 4 poblaciones).

Los censos deben estar

equidistantes en el tiempo.

El conjunto de los valores correspondientes a los

tiempos

en que se han

ejecutado los censos deberán estar en progresión aritmética

Pt = Pu + m&^P +

2

p

Donde: Pt

= Población a calcular.

Pu

= Último dato censal.

m

= Número de intervalos ínter censales, desde el

último censo

t - tu m = ----------

hasta la fecha pedida,

At

a y b = primeros censos (b > a) m y n = últimos censos (n > m) Z

=• # de censos

Increm ento de increm entos ( A2P)

Po 1 P1 2 P2 3 P3 4

a b c d

Increm ento de la población ( A1P ) — b- a c - b.' d - c.

z-1 z

m n

m- d n-m

(m-d)-(d-e) (n-m)-(m-d)

1= ( n - a)

1= (n -m )-(b -a )

P oblación

Pu

— —

(c-b)-(b- a) (d-c)-(c-b)

Luego los incrementos promedios para el conjunto dado son:

A po — ----------------(n ~a)= --------—-— 2AI'P (Z-l) Z-l

A

y

A Pn = ---------------------------(n - m )- {-------b --------: a ) = ---------=— I A 2P ■• (Z - 2) Z -2

41

Sistema de A bastecim iento de A g ua

R icardo N arváez Aranda

Ejemplo de aplicación

Año 1950 1960 1970 1980 1990

looo - ^ ^ 5 o o \ — (,oOO

9¿>1$~

}t>e^

500

P 78500 91000 99500 130000 148500 suma

(qOOO w }l£50O

'T"‘^

N°CENSOS Promedios

A2P

12500 8500 30500 18500

-4000 22000 -12000

70000

6000

5

(Z) A1P

17500

A2P

2000

año estudio

2010

m ii

CL

Pfutura

A1P

2 185500

f) Método de los M ínim os Cuadrados Procedim iento: 1. Establecemos un conjunto de valores de población X¡, expresado en miles de habitantes los cuales han sido determinados censalmente a intervalos iguales de tiempo. 2. Determinar el valor de la razón dé incremento y, para cada par de poblaciones dadas: Y1 = ( X i+1 - X¡ ) / X¡

3. Para plantear las ecuaciones de ajuste, tanto para el procedimiento aritmético como geométrico, se establece el siguiente cuadro:

i

Xi

Y¡

1 2 3

Xt x2 X3

Y1 v2 v 3

n n+1

Xn Xn+1

Yn

I Promedio

IX IX /n

Log Y¡

X ,2

x¡ Y¡

X, Log Y¡

Población de Diseño

Capítulo 4

Para el m étodo aritm ético:

o

sx 1 ---. l « J í Ex V 2\ a+b v Ex ) a + b(

—

H xy

vYx~

0 /

Donde: ayb

= son constantes reales

n

= # de intervalos censales

Para el m étodo geom étrico:

Y=AeBX ' Ex A í £ log y a+b \ n) /

a+b

Donde:

V '

Ex

= 0

■> "N 0

Ex

Ex

B loge = b

log A = a

B = b/log e

A = 10a

4. Se determina la población para el año deseado con ayuda del siguiente cuadro:

#de años después dei último censo

P oblación (M iles de hab.)

A

G

Razc>n de crecir niento Y %) A

G

Increm ento poblacional (M iles de hab.) A

G

--

Dende la razón de crecimiento se determina con la siguiente expresión: Y=

100

43

Sistema de Abastecim iento de A g ua

R icardo N arváez Aranda

Ejemplo de aplicación ANO 1930 1940 1950 1960 1970 1980 Suma Promedio

Pob (X¡) 42.0 53.2 79,9 98.9 138.0 164.0 412.0 82.4

Crecimiento aritmético b a

= =

Crecimiento Geométrico

Raz Crec(Yi) s26.67 50.19 ' 23.78 39.53 18.84

LogYi 1.4260 1.7006 1.3762 1.5970 1.2751

XiA2 1764.0 2830.2 6384.0 9781.2 19044.0

XiYi 1120 2670 1900 3910 2600

XiLogYi 59.89 90.47 109.96 157.94 175.96

159.0 31.802

7.3748 1.475

39803.5

12200.0

594.2

Y= a+bX -0.1541 44.503

Y= AeA(BX) -0.0023

b a=

1.664

B=

-0.00529

A=

46.18

Determinación de la población para el año 2005

N° años DUC 0 10 20 30

P oblación A 164.0 195.5 223.6 246.1

X G 164.0 195.8 227.8 259.3

Fracción de incremento 2005 234.8363 243.593698

Razón crecim iento Y% G A 19.38 19.22 16.38 14.36 13.82 10.04 11.70 6.58 172

Población futura: Crecimiento aritmético

Pf=

234 836 hab

Crecimiento geométrico

Pf=

243 594 hab

44

Increm ento P oblación G A 31.8 31.5 32.1 28.1 31.5 22.4 30.3 16.2

( 5 años de de cada 10)

Capítulo 4

Población de Diseño

4.3.2. M é to d o s c o m p a ra tiv o s o de te n d e n c ia s f

Son aquellos que miden procedimientos gráficos, estiman valores de población ya sea en función a datos censales de la región estudiada o considerando los datos de poblaciones con características.de crecimiento similar a estos.

Procedimiento:

1. Consiste en plotear los datos de la ciudad en estudio (A) y los registros de ciudades mayores, de características semejantes a dicha ciudad. Se utiliza papel semi logarítmico 2x10 2. A partir del último dato censal ( ciudad A) se trazan paralelas a las otras ciudades ( B, C, y D ) . 3. A partir del último punto se traza la media de estas ciudades obteniéndose la prolongación de la ciudad (A). 4. Para la fecha deseada, se determina la población futura

4. 4 P ro b le m a s de a p lic a c ió n

Problema 01 Dentro del programa de desarrollo urbano

se desea diseñar

un sistema de

abastecimiento de agua potable para la localidad de San Antonio, que cumpla las condiciones de calidad y calidad, considerando un periodo de diseño de 15 años. Sabiendo que el estudio del proyecto se iniciará en Octubre del presente año y que se tardará un tiempo 2 años para realizar los estudios básicos de ingeniería, y que luego de

presentar

financiamiento y

él

proyecto

a la

Municipalidad

ésta

lo

considera

su

construcción para el siguiente año. Calcular la población futura

mediante los métodos: geométrico, parabólico, curva normal logística, incrementos variables, y mínimos cuadrados.

45

Sistema de A bastecim iento de A gua

R icardo N arváez Aranda

Cuadro : Datos censales de San Antonio A ño del censo

Población ( Hab)

1958

87400

1966

94500

1974

108900

1982

115 150

1990

125850

1998

137800

Establecer un cuadro comparativo e indicar la solución adoptada con su respectiva justificación. Solución Método geom étrico:

ANO 1958 1966 1974 1982 1990 1998

P 87400 94500 108900 115150 125850 137800

AT 8 8 8 8 8 SUMA

n

=

5

Pf

=

5.0573 1.01145

rp

Población futura: Año en estudio:

r 1.0098 1.0179 1.0070 1.0112 1.0114

2023

183191

Método parabólico

P0 P1 P2 Pf

Año 1982 1990 1998 2023

Factores

' P 115150 125850 137800

C = B =

Pf=

46

X 0 . 8 16 41

9.77 1259.38

.

183 200 hab

Capítulo 4

Población de Diseño

Método de la curva norm al logística

P0 P1 P2 Pf

Año

P

1958 1974 1990 2023

87400 108900 125850

Verificación de condiciones -860 -4550

1ra 2da

Calculo de los parámetros: Ps a b t

155050.67 -0.256 -0.602 4

Pf

145 317 hab

Método de los increm entos variables P

A1P

A2P

87400 94500 108900 115150 125850 137800 suma

7100 144Q0 6250 10700 11950 50400

7300 -8150 4450 1250 4850

N° Censos

(Z)

6

Promedios

A1P A2P

Año 1 9 5 8 (f) 1966f | ) 1974f f ) 1982¡fi£ 1990f a, i- g g ^

año estudio m Pf=

10080 1212.5

m _

&

.. 3/

*

2023 3.125 161 986 hab

47

i

Sistema de A bastecim iento de A gua

R icardo N arváez Aranda

Método de los m ínim os cuadrados

Crecimiento Aritmético

LogYi 0.9097 1.1829 0.7589 0:9681 0.9775

47.9 9.578

4.7972 0.959

CN

AÑO 1958 1966 1974 1982 1990 1998 Suma Promedio

Raz Cree. (Yi) 8.12 15.24 5.74 9.29 9.50

< ><

Pob ( Xi) 87.4 94.5 108.9 115.2 125.9 137.8 531.8 106.36

7638.8 8930.3 11859.2 13259.5 15838.2

XiYi 710 1440 625 1070 1195

XiLogYi 79.51 111.79 82.64 111.48 123.02

57526.0

5040.0

508.4

Y=a+bX

b a

-0.0554 15.474

Crecimiento Geométrico

Y=AeA(BX)

b a-

-0.0019 1.157

B= A=

-0.00428 14.35

Determinación de la población para el año 2005

N° años DUC 0 8 16 24

P oblación X A G 137.8 137.8 169.9168.5 201.0 200.4 228.2 232.4

Fracción de incremento 25

Razón crecim iento Y% G A 23.26 22.26 18.32 18.93 13.53 15.99 9.34 13.49

1/8

230.8218 236.31321

Población futura 2023 Crecimiento aritmético

Pf =

230822

Crecimiento geométrico

Pf =

236313

48

Increm ento Población A G 32.1 30.7 31.1 31.9 27.2 32.0 31.4 21.3

( 1 año de los 8 )

Capítulo 4

Población de Diseño

Cuadro com parativo Cuadro com parat ivo Geométrico 183191 Parabólico 183200 Curva NL 145317 Incrementos Variables 161986 Mínimos cuadrados C. Aritmético 230822 Geométrico 236313 4.5 P ro b le m a s p ro p u e s to s Se desea diseñar un sistema de saneamiento para el Distrito de la Esperanza, que cumpla las condiciones de calidad y cantidad

para un periodo de diseño de 16

años. Sabiendo que el estudio del proyecto finalizará en

diciembre del 2004,

calcular la población futura mediante los métodos: aritmético, geométrico, gráfico, curva normal logística (utilizar los últimos datos censales), incrementos variables, y mínimos cuadrados Los datos censales disponibles son desde el año 1940 a

1990 y

se dan en el

siguiente cuadro:

AÑO DEL CENSO

POBLACION ( HAB)

1940

7 900

1950

9 750

1960

13 600

1970

16 150

1980

18 275

1990

20 750

Establecer un cuadro comparativo e indicando la justificación de la solución adoptada.

SOLUCION Método Aritmético ANO DEL CENSO 1940 1950 1960 ' 1970 1980 1990

POBLACION (hab) 7900 9750 13600 16150 18275 20750

AT

AP

Ar

49

Sistem a de Abastecim iento de A g u a

Ricardo N arváez Aranda

Método Geométrico

ANO DEL CENSO 1940 • 1950 1960 1970 1980 1990

POBLACION (hab) 7900 9750 13600 16150 18275 20750

AT —

*

Método Parabólico ANO DEL CENSO 1970 1980 1990 X = 0 años X = 10 anos X = 20 años

POBLACION (hab) 16150 18275 20750

Ecuaciones:

Método de la curva normal logística AÑO DEL CENSO

Cumple o no cumple:

50

POBLACION (hab)

r

Población de Diseño

Capítulo 4

Método de los Incrementos variables POBLACION (hab) 8100 10120 13500 16150 18275 20580

AÑO DEL CENSO 1935 1945 1955 1965 1975 1985

AtP

A 2P

m=

Método de los mínimos cuadrados

ANO DEL CENSO 1935 1945 1955 1965 1975 1985

Xi

POBLACION (hab) 8100 10120 13500 16150 18275 20580

Yi(%)

LógYi

X iA2

.

XiYi

XiLogYi

M étodo A ritm é tico

Ecuación: M étodo G eom étrico

Ecuación: 51

Sistema de Abastecim iento de A g ua

# de años después del ultimo censo

R icardo Narváez Aranda

Población en miles de hab.(X) A G

Razón de Crecimiento Y (% ) A

Incremento de la población miles de hab. G

Problema 02 Los datos censales que se dan a continuación, corresponden a tres ciudades con características similares. Determinar la población de la ciudad “ B ” , para el año 2010 mediante el método comparativo( usar papel semi logarítmico de 2x10). ( 5 p to s.)

ANO DEL CENSO 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980

CIUDAD : A 53 388 58 744 84 706 141 622 160 842 190 384 206 984

CIUDAD: B 21 748 36 420 76 002 86 914 116 972 130 496 136 294

CIUDAD : C 63 862 86 718 101 350 133 310 163 618 206 314 212 686

Problema 03 Para un proyecto de ampliación del sistema de abastecimiento de agua en Oíuzco, la municipalidad a través de su oficina de proyectos considera terminar el proyecto en Setiembre del 2005. Según lo planificado se iniciaron los estudios básicos de ingeniería para' asegurar condiciones de calidad y cantidad de agua

para un

periodo de diseño de 15 años. Calcular la población futura mediante los métodos: aritmético, geométrico, gráfico, censales), incrementos variables,

curva normal logística (utilizar los últimos datos y mínimos cuadrados (considerar la población

multiplicada por 10 ) Los datos censales disponibles son desde el año 1935 a siguiente cuadro:

1985 y

se dan en el

Capítulo 4

Población de Diseño

ANO DEL CENSO

POBLACION ( HAB)

1935

8 100

1945

10 120

1955

13 500

1965

16 150

1975

18 275

1985

20 580

Establecer un cuadro comparativo e indicando la justificación de la solución adoptada

Problema 04 Calcular la población futura de una ciudad que esta en proceso de saturación, para el año del 2 0 1 0 . ANO DEL CENSO

POBLACION ( HAB)

1942

350 550

1954

375 600

1960

382 150

1972

428 410

1985

495 238

Problema 05 Se desea diseñar un Sistema Abastecimiento de Agua para el Distrito Alto Trujillo que se considera en la fase de iniciación, en la cual se busca que el proyecto cumpla las condiciones de calidad y cantidad

para un periodo de diseño de 15

años. Sabiendo que el estudio del proyecto finalizará en

diciembre del 2005.

Determinar población futura correspondiente. ANO DEL CENSO

POBLACION ( HAB)

1935

8 700

1942

9 750

1954

1 2 600

1960

14 150

1972

18 475

1985

20 850

53

Capítulo 5

Línea de Conducción

Según

la naturaleza del sistema

de abastecimiento, la línea de conducción son

tuberías o canales que conducen el agua desde un punto de captación hasta los reservorios donde se almacenan por algún tiempo, según el consumo de la localidad. Dependiendo de la topografía y las condiciones locales, se puede conducir el agua a través de conductos de flujo libre (canales), conductos forzados (tuberías a presión) o una combinación de ambos, aprovechando la carga estática disponible por la ubicación del punto de captación y de la estructura de almacenamiento (reservorio). La conducción del agua será ya sea por gravedad o mediante bombeo, en este capítulo se estudiara la conducción por gravedad mediante tuberías. La utilización de tuberías implica la selección de un diámetro mínimo comercial adecuado que pueda conducir el caudal

de diseño aprovechando al máximo la

energía estática disponible y a la vez que pueda soportar presiones menores a la presión de trabajo determinados

¡guales o

por los fabricantes y por el

Reglamento Nacional de £Oif/ca,c¡om €5 Durante su instalación las tuberías por su flexibilidad siguen generalmente el perfil del terreno y en algunos casos la utilización de estructuras especiales para cruzar un accidente topográfico como una quebrada, suelos inestables, etc.

Sistem a de Abastecim iento de A g u a

R icardo N arváez Aranda

5.1 E s tru c tu ra s y a c c e s o rio s c o m p le m e n ta rio s Los elementos complementarios para mejorar !el funcionamiento de una línea de conducción

y un adecuado tratamiento del agua, secan requeridos según las

características particulares de cada proyecto, estas son: Desarenadores

-

Plantas de tratamiento

Cámaras rompe presión

-

Válvulas reductoras de presión

Chimenea de equilibrio

-

Válvulas de expulsión de aire o ventosas

Válvulas de limpieza

-

Llaves de paso, etc.

Reducciones Fuente de abastecimiento

Figura 5.1 Esquema de una línea de conducción

5.2 T u b e ría s a p re s ió n En los proyectos de abastecimiento de agua intervienen las tuberías

como

elementos principales del sistema. Por ello, la selección del material a emplear debe hacerse atendiendo a diversos factores que permitan lograr el mejor diseño.

5.2.1 P o r el m a te ria l de fa b ric a c ió n De acuerdo al material empleado en su fabricación, las tuberías utilizadas para la construcción de líneas de conducción para abastecimientos de agua son:

Tuberías de fierro fundido ( f° f°) Tuberías de hierro fundido dúctil (HFD) Tuberías de acero Galvanizado (HG) Tuberías de asbesto-cemento a presión (ACP) Tuberías de Poli cloruro de vinilo (PVC)

56

Capítulo 5

Línea de C onducción

Tubería de acero Estas tuberías

se encuentran en el mercado en dimensiones que no

sobrepasan los 20 pies de largo con un periodo de vida útil de 40 años aproximadamente los diámetros varían cada 2”, que van desde 4” hasta 24"; además varían cada 6” desde 24” hasta 72”. Ventajas: Resistente a golpes, con un esfuerzo de trabajo de 1600psi interior liso, lo que proporciona una carga mínima. Cuando están enterradas no necesitan juntas de expansión. Desventajas: Requiere mano de obra especializada. Poca resistencia a los esfuerzos de flexión. Son susceptibles a la corrosión y a la deformación. Económicamente son muy costosas. Tubería de asbesto-cem ento Son tuberías fabricadas de fibras de asbesto-cemento a altas presiones originando un material denso uniforme e impermeable y de gran resistencia al esfuerzo mecánico, la más comercial es la Eternit, existiendo otras como Roxite, Transite, etc. Existen a la vez dos clases de tuberías, según el grado de presión interna. Clase MAGNAMI, de baja y media presión (45.75 y 105 psi), los diámetros van de 3” a 10” y tienen una longitud de 4.00 m, la unión es de espiga y campana. Clase MAZZA, de alta presión y que va dé 105, 150 y 200 psi, los diámetros varían de 3” a 36" con una longitud de 3.5 - 4 metros, la unión es con anillo de jebe. Ventajas: Son altamente resistente a la corrosión. El peso, relativamente bajo de los tubos

permite una rápida y

económicamente instalación. 57

Sistema de A bastecim iento de A gua

R icardo N arváez Aranda

Resistencia elevada a los esfuerzos producidos por la. presión interna y externa. Presenta un alto coeficiente de flujo, G = 140. Las uniones son flexibles, fáciles y rápidas de hacer, se pueden cortar y perforar para ramales de pequeños 0 . Desventajas: Es frágil, por lo tanto al excavar puede romperse por acción de la herramienta. Pueden ser corroídas por ácidos y sulfatos del suelo. Baja resistencia a los efectos de flexión, lo que puede provocar la rotura de la tubería. Tubería de concreto sim ple: Se fabrican con morteros centrifugados y con mallas metálicas como armadura interior, se emplean por lo general cuando van a generar bajas presiones y grandes gastos, se encuentran hasta 72” de diámetro. Ventajas: Es recomendable para soportar cargas. No sufre tuberculaciones, manteniendo elevada capacidad de conducción. Se fabrica en todos los lugares. Bajo costo de mantenimiento. Desventajas: Es concreto es susceptible a rajaduras, lo que originaria fugas de flujo transportado. Son de poca flexibilidad y muy pesados, lo que hace dificultosa su operación y reparación. Tubería de co ncreto armado: Son

fabricadas

para

soportar

fuertes

presiones

llegándose

a

obtener

resistencias en el orden de los 85 a 250 psi. Son mas usadas las que tienen diám etros m enores de 30” . Son pintadas con compuestos bituminosos para protegerlas contra la corrosión y mejorar las condiciones hidráulicas. 58

Capítulo 5

L ínea de C onducción

Ventajas: Tiene gran periodo de vida, sobrepasando los 50 años en condiciones normales. Alta resistencia á las presiones internas y externas. Ofrecen una buena resistencia a la corrosión y al ataque de ácidos. Desventajas: Su peso relativamente grande dificulta las operaciones de instalación y transporte, lo que ocasiona un alto costo. El sistema de ensamblaje es costoso y requiere de mano de obra especializada. Tubería de p lá stico PVC Son fabricadas de Poli Cloruro Vinilo no plastificado. Se fabrican de diferente diámetro y pueden soportar presiones de 75, 105 y 150 psi.

El tipo de tubería que actualmente se usa para la construcción de líneas de abastecimiento, distribución e instalación de agua en edificaciones y en sistemas de riego son las tuberías de PVC, por las siguientes ventajas:

a) Flexibilidad Dadas las características del PVC y la unión flexible, absorbe posibles deformaciones en condiciones particulares de obra. b) Menores pendientes El bajo coeficiente de rugosidad, permite reducir pendientes mínimas con lo cual se disminuye los gastos de excavación y movimiento de tierras. c) Baja incidencia de roturas Dadas las propiedades de resistencia y elasticidad, es poco posible que se presenten roturas en el proceso de transporte e instalación d) Económica Todas las ventajas señaladas, se traducen finalmente como una economía en general. Otras ventajas: Son muy livianas, siendo fácil su transporte y su manipulación. Bastante fáciles de cprtar y empalmar. 59

Sistema de A bastecim iento de A g u a

Ricardo N arváez Aranda

Ausencia completa de porosidad, ocasionando una bajísima perdida de carga. Resistentes a la corrosión y acción de ácidos. Desventajas: Poca resistencia a la tracción. Con el tiempo se vuelve quebradizo. 5.2.2 P o r la p re s ió n de tra b a jo De'acuerdo a la presión de trabajo se ha considerado la caga estática, a la cual, la tubería estará sometida en una línea de conducción, dependiendo de la topografía del la zona del proyecto. En el cuadro 5.1 se presenta la clase de tuberías de PVC existentes en el mercado de la construcción según la presión de trabajo. CUADRO 5.1 CLASE DE TUBERIA (PVC) EN FUNCION DE LA PRESION DE TRABAJO Clase (Kg/cm 2 ) 5

Carga estática de prueba (m) 50

Presión de trabajo (lb/pulg.2) 71.5

Presión máxima de trabajo 35

7.5

75

107.25

50

10

100

143.0

70

15

150

214.5

100

20

200

286.0

140

25

250

357.5

167

r uente: Reglamento Nacional de Cc if /cac /óo^ s (R.N.E)

5.3 T u b e ría s y c o n e x io n e s a p re s ió n Las tuberías de Policloruro de Vinilo de diferentes características (PVC), se caracteriza por su bajo coeficiente de fricción, lo que permite poder transportar mejor los caudales si comparamos con los materiales tradicionales.

Norm alización, el objetivo general de la normalización para la fabricación de tubos de Policloruro de Vinilo de diferentes características, para la conducción de agua a presión, es el estandarizar las dimensiones y resistencia de los productos a fin de que satisfaga las exigencias del uso en el mercado de la construcción como son los fabricantes de tubos y accesorios de PVC LIMAPLANST S.A.

60

Línea de C onducción

Capítulo 5

5.4 A c c e s o rio s de s e g u rid a d y p ro te c c ió n

5.4.1 V á lv u la s de a ire (v e n to s a s ) Evacúan automáticamente el aire acumulado en las elevaciones topográficas. En terrenos donde la topografía es accidentada, se deben colocar en cada punto alto de la línea de conducción. El dimensionamiento de estas válvulas está en función del caudal y la presión de la tubería.

5.4.2 C ám a ra ro m p e p re s ió n Cuando existe mucho desnivel entre la captación y algunos puntos a lo largo de la línea de conducción, pueden generarse presiones superiores a la máxima que puede soportar una tubería. En esta situación, es necesarios la construcción de cámara rompe - presión que permitan disipar la energía y reducir la presión relativa a cero (presión atmosférica), con la finalidad de evitar daños en la tubería. Estas estructuras permiten utilizar tuberías de menor clase, reduciendo considerablemente los costos en las obras de abastecimiento de agua potable.

5.4.3 V á lv u la de p u rg a Los sedimentos acumulados en los puntos bajos de la línea de conducción topográfica accidentada, provocan la reducción del área de flujo del agua, siendo necesario instalar válvulas de purga que permitan periódicamente la limpieza de tramos de tuberías. La limpieza consiste en una derivación de la turba, provista de llave de paso.

El R.N.fc. recomienda que el diámetro de la válvula de purga sea

menor que el diámetro de Ja tubería. Plano piezométrico estático

Válvulas de nurea Figura 5.2 Válvulas en la línea de conducción

61

Sistem a de A bastecim iento de A g u a

R icardo N arváez Aranda

CUADRO 5.3 DIÁM. RECOMENDABLES EN VÁLVULAS DE PURGA TUBERIA

0 VALVULA DE PURGA

0 < 4"

0 tubería

4" < 0 < 16"

4"

0 > 16"

0 tubería/4

Fuente: Instituto Nacional de Obras Sanitarias. 5.5 R e n d im ie n to s de in s ta la c ió n Debido al liviano peso y a la longitud de 6 m de la tubería de PVC, sumada a la simplicidad del ensamble unión flexible, los rendimientos de instalación son altos (el mayor tiempo de instalación se dedica a las labores de excavación y encamado). El cuadro 5.3

se indica los rendimientos promedio de instalación en condiciones

normales contando con un maestro, dos operarios y 8 hrs. de trabajo: CUADRO 5.4 RENDIMIENTO EN LA INSTALACION DE TUBERIAS DE PVC DIAMETRO TUBERIA (PULG.)

RENDIMIENTO (mi.)

2

1100

2 1/2

1100

3

1100

4

1100

6

980

8

850

10

680

12

450

14

300

Fuente: Manual técnico de Instalación de tubos LIMAPLAST S.A

5.6 C rite rio s b á s ic o s p ara el d is e ñ o Para que un proyecto sea factible es necesario que sus estructuras vayan proyectadas adecuadamente bajo ciertos criterios técnicos y económicos. Estos son: -

Carga disponible

-

Caudal de diseño /

62

Capítulo 5

L ínea de C o nducción

Tipo de tuberías y presión de trabajo Diámetros de la tuberías Elementos complementarios

5.6.1 C arga d is p o n ib le La carga disponible se determina de acuerdo a las cotas topográficas que se encuentran las obras captación (nivel mínimo de aguas en la captación) y los reservorios (nivel máximo de almacenamiento). Las líneas de conducción deben aprovechar esta diferencia de cotas para que la presión resultante ayude a conducir el caudal deseado.

Según la topografía que recorrerá la línea de conducción, pueden encontrarse puntos altos que dificultan la conducción por gravedad, los cuales deberán verificarse en forma analítica las presiones en estos puntos críticos, con el trazo de la línea piezométrica. I.ínea de carpa estática

Carga disponible

Figura 5.3 Carga disponible

5.6.2 C a u d a l de d is e ñ o El caudal de diseño debe calcularse de acuerdo a la población futura a servir, afectada por los coeficientes de variación de consumo (Qmd), como hemos visto en el capítulo 3.

5.6.3 T ip o de tu b e ría s y p re s ió n de tra b a jo Las tuberías seleccionadas para la línea de conducción serán las más adecuadas para soportar las presiones hidrostáticas que se presente según la topografía de la zona del proyecto a través de una línea de carga estática.

63

Sistema de A bastecim iento de A g u a

R icardo N arváez Aranda

Cuando la presión hidrostática es mayor a la presión de trabajo debido a un accidente topográfico, puede adoptarse las siguientes soluciones: Modificar el trazo de la tubería, es decir cambiar el alineamiento horizontal a fin de salvar dicho accidente topográfico. Cambiar la clase de tubería o de material. Construcción de una cámara rompe presión

r-

Línea de carga estática

5.6.4 D iá m e tro de tu b e ría s , • El diámetro de las tuberías deberá ser el mas,adecuado para poder conducir el gasto de diseño y que dependiendo de la topografía se podrá realizar una combinación de diámetros cuya suma de perdidas de carga sea igual a la perdida de carga total, para lograr el diseño más económico.

5.6.5 E le m e n to s c o m p le m e n ta rio s Los elementos complementarios a usar dependen de la naturaleza del proyecto y de la topografía de la zona.

Por ejemplo para reducir las presiones excesivas será

necesario utilizar y ubicar técnicamente cámaras rompe presión, lo que seria adecuado económicamente para no utilizar

tuberías de alta presión que son de

elevado costo. En otros casos seria adecuado colocar válvulas de limpieza cuando no se utiliza desarenadotes o cuando estos a pesar de su diseño no son muy eficientes por el material muy fino que no pueden sedimentar.

64

Capítulo 5

Línea de C o nducción

También serán necesarios en algunos casos utilizar chimeneas de equilibrio cuando el caudal transportado es considerable y en combinación con la topografía .ocasionan grandes presiones los cuales deben ser disipados al presentarse el fenómeno de golpe de ariete.

5.7 D ise ñ o h id rá u lic o de la tu b e ría de c o n d u c c ió n 5.7.1 C a p a c id a d de flu jo El caudal que puede ser conducido a través de una tubería de diámetro interno, se determina mediante la fórmula de Hazen y Williams, así:

Cuando el caudal se da en m3 /s :

2.63

Ah

Q = 021U C D L Donde: Q = Caudal en m3/s

C = Coeficiente de rugosidad de Hazen y Williams D = Diámetro interno del tubo (m) Ai = Perdida de carga total en la línea (m) L = Longitud de la línea (m)

Cuando el caudal se da en l/s : Q = 0 .0 004264C D 2 63

Ah

Donde: Q = Caudal (l/s) C = Coeficiente de rugosidad de Hazen y Williams (pie 1/2/s ) D = Diámetro interno del tubo (pulg.) Ai = Perdida de carga total en la línea (m) L = Longitud de la línea (Km.)

En el siguiente cuadro 5.5 se presenta los coeficientes de de Hazen y Williams, según el.material de la tubería.

65

Sistema de A bastecim iento de A g u a

Ricardo N arváez Aranda

CUADRO 5.5 COEFICIENTES DE FRICCION “ C” EN FORMULA DE HAZEN Y HILLIAMS

TIPO DE TUBERIA

COEFICIENTE C

Asbesto cemento

140

Policloruro de vinilo

150

Acero sin costura

120

Acero soldado en espiral

100

Fierro fundido

100

Fierro Galvanizado

100

Concreto

110

Polietileno

150

Fuente: Manual técnico de Instalación de tubos LIMAPLAST S.A

5.7.2 Gradiente h id rá u lico Para el cálculo de la perdida de carga por unidad de longitud en la linea, se determina a través de la siguiente expresión, derivada de Hazen y Williams para una tubería de PVC (C=150):

J=

0.995

Q 1852 D ' 4'87

Donde: J = Perdida de carga unitaria (m/km) Q = Caudal (m3 /s) D = Diámetro interno del tubo (m)

5.7.3 P re s ió n h id rá u lic a in te rn a Se originan a raíz de las diferencias de nivel (cotas) entre los puntos de alimentación y descarga de la línea o por efecto de bombeo. En operaciones corrientes la mayor presión se origina cuando se cierra la descarga lo cual conlleva a un nivel de presiófi igual a la diferencia de cotas entre punto inicial y final de la línea, conocida como carga estática total.

66

Capítulo 5

Línea de C onducción

Línea de carga estática (1)

Línea de carga estática (3)

Figura 5.5 Carga estática en tuberías de conducción

5.7.4 D is e ñ o e c o n ó m ic o p o r c o m b in a c ió n de d iá m e tro s Cuando se determina el diámetro de la línea de conducción esta resulta una fracción entre dos diámetros comerciales, debiendo adoptarse uno menor o una mayor al calculado. Si se adopta uno menor se corre el riesgo de tener mayor velocidad y mayores presiones si se desea mantener el caudal de diseño calculado, mientras que si se adopta un diámetro mayor el caudal en estas condiciones serian mayor al caudal de diseño calculado.

Lo conveniente económicamente es

realizar un diseño con una combinación de

diámetros y con longitudes suficientes que mantengas las misma perdida de carga inicial. Se plantea una igualdad de perdidas de carga total con respecto a las perdidas de cargas parciales:

Ht- J ! L i +J 2 L 2 Considerando:

L2= L -

L 1

°\

u2 J

Tenemos: V Donde:

Ht

= Perdida de carga total

L

= Longitud total

L , y L 2 = Longitudes parciales

J 1 y J 2 = Perdidas de carga

unitarias parciales

67

R icardo N arváez Aranda

Sistema de A bastecim iento de A gua

5.7 P ro b le m a s re s u e lto s Problema 01 Realizar el diseño hidráulico de la línea de conducción que se muestra en la figura, para un caudal de diseño de 3.4 l/s y tubería de PVC. 1680 msnm

Solución:

Carga disponible = Cota de captación - Cota de reservorio H=

/C 'SO - /é 2 0

~TT~_

¿ O r y s .n .r tl

Calculo de la perdida de carga unitaria:

j = < 9 .w á /-8SZ 7) Diámetro de la tubería:

D=

Pérdida de carga en el tramo hf =

Presión dinámica en el reservorio: Y

T,ínea ríe carpa estática

Hf=

P-

68

Línea de C onducción

Capítulo 5

Problema 02 Con los datos que se muestra en la figura realizar el diseño hidráulico de la línea de conducción. Considerar Qmd = 5.80 l/s y tubería PVC. Calcular la potencia de la bomba para 16 hrs de funcionamiento. Presentar un esquema del planteamiento hidráulico propuesto. i

Cámara de Almacenamiento 3400 msnm

Solución:

El diseño se realizara por tramos según la ubicación de las cámaras rompe presión: Q = 0.004264 C D 2 63 S° 54

Para el tramo AB Calcula de la perdida de carga unitaria:

Calculo del diámetro:

Para el tramo BC Calcula de la perdida de carga unitaria:

69

Sistema de Abastecim iento de A g u a

R icardo N arváez Aranda

Calculo del diámetro:.

Para el tramo CD

Para el tramo DF

Caudal de impulsión con N = 16 hrs QI = Qmd — N

Para diseñar la tubería de impulsión, por continuidad consideramos una velocidad para tuberías PVC de 1.5 m/s V = 1.5 m/seg Q=VA

D=

Cálculo de la potencia de la Bomba p_ y x Q x H t 75n

n = eficiencia de bomba: 85%

7

=

1

Calculo de la altura total: Diferencia topográfica = Perdida por fricción

Reemplazando tenemos P =

70

=

Capítulo 5

Línea de C onducción

Problema 03 Realizar el diseño hidráulico de la línea de conducción e impulsión de PVC, paralela a una existente., para una población de 12500 hab. Se deberá utilizar la línea existente 3 pulg. de diámetro de fierro fundido hasta el punto (4). Considerar: un clima frió, en la planta de tratamiento se pierde 16m de presión y 1 0 % de pérdidas de caudal en la planta de tratamiento. Los datos se indican en la figura y en el siguiente cuadro.

E structura

Punto

Captación

Planta de tratamiento Reservorio

1

Cota (msnm) 4380

Distancia (m) 0

2

4275

1250

3

4230

3480

4

4295

4250

5

4250

5730

6

4405

6380

Figura: Perfil de la línea de conducción e Impulsión Solución: Se traza la línea de energía y conducción y se analiza:

Calculo del caudal máximo de demanda diaria:

71

Sistem a de Abastecim iento de A g u a

R icardo N arváez Aranda

Se analiza la línea de conducción por tramos: Tramo 1-4 Cálculo del caudal que pasa en la tubería existente Q=

Cálculo de pérdida de carga unitaria J=

Caudal que pasa por la nueva tubería paralela a la existente: Q diseño = Qmd- Q existente

Diámetro de la nueva tubería: D =

Tramo 4-5: En este tramo no se considera la tubería existente. Perdida de carga unitaria J=

Diámetro de la tubería D=

Tramo 5-6 Es el tramo que corresponde a la línea de impulsión: Caudal de impulsión

Q imp =

Diámetro de la tubería por continuidad (Se asume una velocidad de 1.5 m/s) D=

72

C apítulo 5

Línea de C onducción

Calculo de la perdida d carga en el tramo: Ht= hf + Ah + hf planta =

, . ,

•

Perdida por fricción: Perdida de carga unitaria J =

Perdida de carga por fricción hf = *T Calculo de la potencia de la bomba:

Pt=.

5.8 P ro b le m a s p ro p u e s to s Problema 01 Diseñar la línea de conducción entre un manantial

cuya cota es de 400msnm y un

depósito de almacenamiento cuya cota es de 220msnm., para conducir un caudal de 150 lps. El trazo escogido tiene tres tramos, cada uno de pendiente uniforme. El primero de 4 km de longitud, el segundo desciende de la cota 360msnm a la cota 230 msnm de y 2 km de longitud; y el tercer tramo de 6km. Se dispone de tuberías (C=120) de diámetros 12” ; 10 ” , 8” , 6” y 4” . Presentar un cuadro resumen.

Problema 02 • Diseñar la línea de conducción entre un manantial

cuya cota es de 600msnm y un

depósito de almacenamiento cuya cota es de 150 msnm., para conducir un caudal de 130 lps. El trazo escogido tiene tres tramos, cada uno de pendiente uniforme. El primero de 2.5 km de longitud, el segundo desciende de la cota 360msnm a la cota 230 msnm de y 3.8 km de longitud; y el tercer tramo de 5.4 km. (C=140) Presentar un cuadro resumen. (6 pts).

73

Ú 2J

fT ^ c / 5

* / - fv**ín ct -fíle le , Z, -- br*J/J-. = 49.73J ]t/s Determinación del diám etro Reemplazando valores i f 4x0) 2 D = V7T X V ,

f 4x0.04973 ^■xl.5

V

D = 0.21 m « 8.3 pulg. Por no ser comercial ese valor, se opta por usar el valor de D = 8”

Cálculo del diám etro económ ico: D ~ K 'JQ'»'P.

y

0.7 < K < \ . 6

Remplazando valores tenemos: D = 1. 1 x V 0 .04973 D = 0.245cm « 1 0 " De estas dos opciones se verifica que el diámetro de la tubería que se empleará para esta línea de Impulsión será de: 0 de IMPULSIÓN = 10 pulgadas

Cálculo de la pérdida de carga Empleamos el método de las longitudes virtuales para tener en cuenta las pérdidas locales: - Válvula de retención

=

16.00

- Válvula compuerta

=

1.10

- Salida tubería

=

6.00

- Tubería de Impulsión (descarga)

=

798.00

- 3 codos de 45°

=

6.00

- 2 codos de 90°

=

6.20

=

833.30 m

T otal

85

Sistema de Abastecim iento de A g u a

R icardo Narváez Aranda

Por Hazen Williams:

1/ 0.54

49.73

5 =

.0 .0 0 0 4 2 6 4 x1 4 0 x1 0 263 S = 3.45 m / Km

hf = S' x L h f= 3.4 5 x0 .8 33 hf = 2.87 m

Para hallar Ja carga estática se calcula de la diferencia de los desniveles de agua del pozo y el reservorio; asi tenemos: Nivel estático de agua del pozo

= .60.25 m

Nivel estático de agua del reservorio

= 74.00 m

La determinación de la carga estática se calcula de la siguiente manera:

Ht

=

Hest + h f

H, =13.75 + 2.87 /-/, = 1 6 .6 2 m

Celeridad De la Fórmula

C=

9900 4 8 .3 .+ K Ve

Datos: Para tubos de plásticos K = 18.0 D = 10” = 0.254-m. e = 0.008m.

Reemplazando datos tenemos:

C =-

9900 48.3 + 18

0.254 .0.008.

C = 397.66 m./seg.

86

C apítulo 6

L ínea de Im pulsión

Golpe de ariete Se conoce la siguiente ecuación: ha = (C* V)/g

V = Q/A V = (0.04973 m3/s)/[3.1416x(0.254m)2 / 4] V

= 0.981 m/s

Reemplazando: ha = (397.66 * 0.981) / 9.81 ha = 39.76 m.

D eterm inación de la clase de tubería Pmax = Carga estática + Perdida de energía + Exceso de presión.

Reemplazando los valores hallados tendremos que: Pmax = 13.75 + 2.87 + 39.76= 56.38 m Pmax = 56.38 Ib/pulg. Este valor esta comprendido en la clase: Clase 5 = 75 Ib/pulg2 Por consiguiente para la línea de alimentación se usara: 0 10” PVC,

Clase C - 5

C álculo de la potencia de lá bomba p .=

Y x Q x H t

75 x 77

Reemplazando valores tendrem os,

1,000x0.04973x56.38 75 x0.80x0.90

‘

'

P = 51.92 HP Pinst =15% P Pinst = 1.15 x 51.92 Pinst = 59.71 HP

.

Se verifica que la potencia de la bomba actual que esta colocada en la caseta de Bombeo es de 135 HP, luego esta cubre lo proyectado.

87

Capítulo 7 Reservorios

Luego de realizar la captación del agua y en caso de proyectos grandes pasan por una planta de tratamiento (potabilización), el agua debe ser almacenada en reservorios para su distribución según la demanda.

Los reservorios son estructuras para almacenar cierta cantidad de un volumen de agua de acuerdo al consumo de la población. Es un elemento indispensable para el buen funcionamiento hidráulico del sistema y en el mantenimiento de un servicio eficiente resultado de un diseño adecuado

de la red de distribución de agua

potable. - t

7.1 U b ic a c ió n del re s e rv o rio La ubicación del reservorio está determinada principalmente por la necesidad y conveniencia de mantener presiones en la red dentro de los límites de servicio. Estas presiones en la red están limitadas por normas, dentro de rangos que pueden garantizar para las condiciones más dtesfavorables una dinámica mínima y máxima no superior a un determinado valor que haría impráctica su utilización en las instalaciones domiciliarias.

/ //

Razones económicas y práctiéas han inducido a establecer rangos de presiones diferentes de acuerdo a las características y necesidades de las localidades. En tal

Sistema de Abastecim iento de A g u a

R icardo N arváez

sentido el R.N.C. establece que la presión mínima y máxima será de 15 y 50 metros de columna de agua respectivamente.

7.2 T ip o de re s e rv o rio Los reservorios de almacenamiento pueden ser construidos directamente sobre la superficie del suelo o sobre torres, por razones de servicio se requiere elevarlos.

7.2.1 R e s e rv o rio s a p o y a d o s Se considera este tipo de reservorios, porque, la zona a servir se encuentra en una cota inferior a la cota del suelo donde estará apoyado el reservorio, teniendo

una

presión suficiente para su distribución del agua en la red. Los reservorios apoyados son generalmente de concreto armado de forma rectangular o cilindrica.

Figura 7.1 Reservorio Apoyado

./

Fotografía t.1 Reservorio del Cerro Pesqueda 90

C apítulo 7

R eservónos

7.2.3 R e s e rv o rio e le v a d o Se asume este criterio cuando el reservorio se encuentra en un terreno del mismo nivel que la red de distribución y para ganar o lograr la presión su ficie n te para su d istrib u ció n en la red, se ubica a una cota elevada de acuerdo a la cota piezométrica previamente calculada en función del punto de distribución mas' desfavorable o más alejado. Los reservorios elevados que se construyen

son metálicos ó de concreto

armado y sus diseños en muchos casos atienden a razones ornam entales.

L IN E A IE Z Q M E T R IC A RESERVORIO ELEVADO

T U B E R IA DE A L IM E N T A C IO N A L A RED DE D IS T R IB U C IO N

L O C A L ID A D

Figura 7.2 Reservorio elevado

Fotografía 7.2 Reservorios de Vista Alegre y de San Andrés

91

Sistema de A bastecim iento de A g u a

R icardo Narváez

Fotografía 7.3 Reservorios de Buenos Aires, Chicago y la Noria

7.3 A b a s te c im ie n to de a g u a p o ta b le a la C iu d a d de T ru jillo La ciudad de Trujillo cuenta con un total de 53 reservorios, las cuales tienen dos tipos de captación de agua que son: Captación por aguas subterráneas o de planta Captación por aguas superficiales (las aguas son captadas del proyecto especial Chavimochic) y son tratadas en la Planta de tratamiento de agua Potable

7.3.1 P lanta de T ra ta m ie n to de A g u a p o ta b le para T ru jillo Como estructura complementaria para el tratamiento de agua superficial del Río Santa, considerada para el consumo domestico e industrial, el Proyecto Especial Chavimochic ha construido una Planta de Tratamiento de Agua Potable. El agua es captada del canal madre del proyecto que pasa a un nivel superior de la planta.

Esta

formado

por

las

siguientes

estructuras:

una

captación

lateral,

dos

desarenadores, poza de mezcla rápida y estructura de rop’l a t decantador tipo Pulsator Laminar, filtración tipo rápida, canal de eftmfnao ó n dé material sedimentado, reservorio de 1000 m3 de capacidad y 7,847 m de tubería de 900 mm de diámetro.

92

*

( u i u - s lu )

SViO O

7.3.2

Línea

de Aducción

de la

(m)

de Tratam iento

DISTANCIA

Planta

a

Reservorios

de

T ru jilio

Sistema de Abastecim iento de A g u a

7.3.3

Ricardo Narváez

C a ra c te rís tic a s de lo s R e s e rv o rio s en T ru jillo

En el siguiente cuadro 7.1 se indican las características de los reservorios de Trujillo metropolitano según el agua captada

CUADRO 7.1 RESERVORIOS DE TRUJILLO METROPOLITANO LOCALIDAD

ITEM RESERVORIO CAPTACIÓN 1

Manuel Seoane

2

Simón Bolívar

3

Rodolfo Agreda

La Esperanza

4

Esperanza2(elevado)

(11 Reservorios)

5 6

Esperanza1(apoyado) El Milagro - 1

7

El Milagro - 2

8

Pit - 1

9

Pit - 2

10

Manuel Arévalo

11

Alto Mochica

12

El Presidio

El Porvenir

13

Víctor Raúl

( 4 Reservorios)

14

El Mirador

15

Miguel Grau

Florencia de

16

Florencia de Mora

Mora

17

Nuevo Florencia

(4 Reservorios)

18

R1

19

R2

20

Alto Pesqueda

21

Nuevo Pesqueda

Trujillo

94

Agua de Planta Agua de Planta Agua de Planta Agua de Planta Agua de Planta Agua de Planta Agua de Planta. Agua de Planta Agua de Planta Agua de Planta Agua de Planta Agua de Planta Agua Superficial Agua de Planta Agua de Planta Agua de Planta Agua de Planta Agua de Planta Agua de Planta Agua de Planta Agua Superficial

CAPACIDAD ( m 3) 500 Apoyado TIPO

ESTADO Operativo

Apoyado

500

Operativo

Apoyado

500

Operativo

Elevado

500

Operativo

Apoyado

1300

Operativo

Apoyado

250

Operativo

Apoyado

800

Operativo

Apoyado

4000

Operativo

Apoyado

4000

Operativo

Apoyado

3000

Operativo

Elevado

500

Operativo

Apoyado

600

Operativo

Apoyado

500

Operativo

Apoyado

200

Operativo

Apoyado

3000

Operativo

Apoyado

1300

Operativo

Apoyado

2500

Operativo

Apoyado

500

Operativo

Apoyado

500

Operativo

Apoyado

2500

Operativo

Apoyado

3000

Operativo

Capítulo 7

Reservorios

22

Los Gemelos

23

Los Cedros

24

Chicago

T ru jilio

25

Covicorti

(17 reservorios)

26

Monserrate

27

Chimú

28 29

Santo Dominguito Primavera

30

Covirt

31

San Andrés

32

Palermo

33

La Noria

34

Las Quintanas

35

San Isidro

36

Santa Rosa

Víctor Larco

37

Vista Alegre

(2 Reservorios)

38

Huamán

Agua Superficial

Huanchaco

39

Huanchaco

Moche

40

Moche

(2 Reservorio)

41

Las Delicias

Salaverry

42

Salaverry

Viru

43

(2 reservorios)

44

Chao

45

Viru Pueblo (viru 1) Viru Puente (viru 2) Chao

Puerto Malabrigo

46

Agua Superficial Agua Superficial Agua Superficial Agua Superficial Agua Superficial Agua Superficial Agua Superficial Agua Superficial

.

Puerto Malabrigo

Agua de Apoyado Planta Elevado ' Agua Superficial Elevado Agua de Planta Elevado Agua 1 . Superficial Agua Elevado Superficial Agua Elevado Superficial Elevado Agua Superficial ■ Elevado Agua Superficial Agua Elevado Superficial Agua Elevado - Superficial Elevado Agua Superficial Elevado Agua Superficial Agua Elevado Superficial Agua Elevado Superficial Agua Elevado Superficial Elevado Agua Superficial

2500

Operativo

1500

Operativo

1500

Operativo

1500

Operativo

. 1500

Operativo

500’

Operativo

500

Operativo

500

Operativo

500

Operativo

450

Operativo

1000

Inoperativo

450

Inoperativo

600

Inoperativo

1000

Inoperativo

100

Operativo

1500

Operativo

Elevado

400

Operativo

Apoyado

400

Operativo

Elevado

400

Operativo

Elevado

500

Operativo

Apoyado

1800

Operativo

Apoyado

600

Operativo

Apoyado

300

Operativo

Elevado

860

Operativo

Elevado

400

Operativo

95

Sistema de A bastecim iento de A g u a

Ricardo Narváez

chocope

47'

Chocopé

Paijan

48

(2 reservorios)

49

Paijan Miraflorespaijan . Paijan Manco Capac-paijan

Chepen

50

Chepen- 1

(3 reservorios)

51

Chepen- 2

52

Chepen - 3

Pacanguilla

53

pacanguilla

N° reservorios

53

7.4

Elevado

400

Operativo

Apoyado

900

Operativo

Agua Superficial

Apoyado

650

Operativo

Agua Superficial Agua Superficial Agua Superficial

Apoyado

400

Operativo

Apoyado

1500

Operativo

Apoyado

1500

Operativo

Elevado

500

Operativo

Agua Superficial Agua Superficial

Agua Superficial

Capacidad total de Reservorio

= 57 560 m 3

F u n c io n e s del re s e rv o rio

Las funciones básicas que debe cumplir un reservorio son: Compensar las variaciones horarias, durante el día a través del volumen de regulación (Vreg). Mantener las presiones en la red. Almacenar cierta cantidad de agua, en caso de emergencias (incendios, mantenimiento de la red: rotura de tubería, fallas de equipo de bombeo, etc).

7.5

C a p a c id a d de un re s e rv o rio

Es la cantidad de agua que debe almacenar el reservorio para garantizar un servicio óptimo y permanente. Para determinación este valor se considerará los siguientes volúmenes parciales

7.5.1 V o lu m e n de re g u la c ió n ( V re g ) El reservorio, como parte primordial de ese complejo que constituyen los sistemas de abastecimiento

de agua, debe permitir que las demandas máximas

que se

producen en los consumos sean satisfechas a calidad, al igual que cualquier variación en los consumos registrados para las 24 horas del día (diagrama de masas) y en la condición de conducción de agua al reservorio, de tal forma que se produzca un equilibrio entre los caudales de llegada y salida que garanticen un servicio continuo y eficiente.

96

Capítulo 7

Reservorios

Para determinar el volumen de regulación se determina en forma analítica y por medio de histogramas de las variaciones horarias de demanda, para formar una curva masa, pero en caso de no disponer de estos datos se tiene en cuenta las recomendaciones deí RNC en lo que se refiere al volumen de regulación como el 25% del promedio anual de la demanda siempre y cuando que el rendimiento de la fuente de abastecimiento sea calculado para 24 horas

de funcionamiento. La

capacidad de regulación deberá determinarse de acuerdo con un estudio económico del conjunto de las obras que componen el sistema. /■

Vreg

=. V1

+ V2

Donde: V1 = Exceso V2 = Defecto Vreg

= Volumen de regulación

Ejemplo Calcular el volumen de regulación considerando los siguientes datos: Población

P = 2500 habitantes

Dotación

D = 150 l/hab/día

Solución: Qp = PD/86400 = 4.34 l/s Vr = 25% (4.34 l/s) Vr = 93.74 m 3

7.5.2 V o lu m e n c o n tra in c e n d io ( V i ) Este volumen de agua considerando para sofocar un incendio; segün el RNC se debe considerar un volumen contra incendio para

habitaciones urbanas con

población mayores de 10 000 habitantes y para el caso de poblaciones menores no se considerará demanda contra incendio y esto por razones económicas, ya que si se asigna un caudal especifico para combatirlos, este resulta muchas veces mayor que el mismo consumo de la población para que caso que esto sucediera, no se deba consumir agua, de tal manera todo el caudal esté destinado para sofocar el siniestro.

El RNC nos proporciona el cuadro 7.2 para un volumen contra incendio en función de la población.

Sistema de Abastecim iento de A g ua

R icardo Narváez

CUADRO 7.2 VOLUMEN CONTRA INCENDIO EN FUNCIÓN A LA POBLACIÓN

VOLUMEN CONSIDERADO

POBLACION < 10 000 hab.

10 000

< Pobl. < 100 000 hab.

> 100 000 hab.

No considerar • C onsiderar : N° hidrantes = 2 C/ hidra. Q = 15 It/seg. Tiempo mínimo = 2 horas

Considerar : N° hidrantes = 2 en zona residencial N° hidrantes = 3 en zona industrial C/hidrante Q = 15 It/seg. Tiempo mínimo = 2 horas

7.5.3 V o lu m e n de R e s e rv a (Vre) Es aquel

volumen que debe mantenerse para atender eventualidades tales como

daños en la linea de aducción que mantendrían una situación en el suministro de agua mientras se realizan las reparaciones pertinentes, por este motivo que es aconsejable mantener un volumen adicional que de la oportunidad de restablecer la conducción de agua hasta el reservorio. Para determinar este volumen el RNC presenta las siguientes posibilidades, tomándose la más representativa:

a) Vre = 25 % Vreg b) Vre = 33% (Vi + Vreg) c) Vre = Qp t

Donde:

Qp = gasto por incendio (15 lit / seg) T = tiempo que demora el incendio (2 a 4 horas)

Ejemplo Calcular el volumen de un reservorio considerando los datos del ejemplo anterior: a)

Vre = 25% Vreg Vre = 0.25 (93.74) Vre = 23.44 m3

98

Reservorios

Capítulo 7

b)

Vre = 33% (Vi + Vreg ) Vre = 0.33 (93.74+ 0.00)

,

Vre = 30.93 m3

Entonces tomaremos el mayor vaior como volumen de reserva

Vre

= 30.93 m3

Volumen del reservorio = Vre + Vi + Vr = 30.93+ 0.00 + 93.74 = 124.67

Volumen adoptado

= 130.00 m3

7.6 P ro b le m a s re s u e lto s Problema 01 La siguiente es la tabulación de los registros horarios del agua consumida en la ciudad X, en el día de máximo consumo del año 1971:

HORA 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12

DEMANDA ( m3/hr) 285.412 460.216 560.608 760.864 875.486 1082.488 1261.806 1572.376 . 1786.691 2062.762 2397.586 2876.657

HORA

DEMANDA ( m3/hr)

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

3291.460 3786.176 4082.863 4482.612 4775.440 5043.890 5368.928 5783.618 5952.180 6158.884 6328.584 6598.685

De acuerdo con estos datos se confeccionará en pape! milimetrado, un diagrama de consumos horarios. Para ello, se tomaran como abcisas las horas transcurridas desdé las 12 de la noche y como ordenadas los valores de consumo en cada hora, expresados en litros por hora. Luego se determinarán analíticamente y se indicarán en el diagrama los valores siguientes: a) Consumo promedio durante el día, en lt/seg.' b) Consumo máximo horario en el día , en lt/seg. y hora en la cual ocurre.

Sistema de A bastecim iento de A g u a

R icardo N arváez

c) Consumo mínimo horario en el día , en It/seg. y hora en la cual ocurre. d) Valores, en porcentaje, de los consumos máximos y mínimos horario en relación con el promedio horario durante dicho día.

Aceptando que las variaciones del consumo de la ciudad X serán las mismas que las de la ciudad Y, con los datos a^í obtenidos se hallará, para la población de la ciudad Y en el año 2010 calculada en 45 500 habitantes , con una dotación promedio de 200 It/hab/día y una variación de 30 % en el día de máximo consumo, determinar lo siguiente :

e) Consumo promedio diario en It/seg. f)

Consumo máximo horario en It/seg. y hora en.la cual ocurre.

g) Consumo mínimo horario en It/seg. y hora en la cual ocurre. h) Capacidad mínima que requiere tener en el tanque regulador para absorber estas variaciones en el caso en que la entrada de agua

sea constante

durante todo el día. i)

Capacidad requerida en la línea de conducción del río a la planta en It/seg.

j)

Capacidad requerida en la linea de conducción de la planta ai tanque regulador.

k) Capacidad requerida de la tubería matriz de alimentación del tanque regulador a la ciudad., teniendo en consideración la posibilidad de riesgo de incendio a ser combatido con la descarga proveniente de 4 grifos de 16 It/seg. cada uno.

Solución: Parte 1: Población X Se confecciona el cuadro N°01 , para determinar el consumo total diario y horario :

Cuadro N 0 01: Consumos horarios HORA

100

1

VC acum. m3 285.412

V consum o m3/h It/seg 285.412

79.281

2

460.216

174.804

48.557

3

560.608

100.392

27.887

4

760.864

200.256

55.627

5

875.486

114.622

31.839

6

1082.488

207.002

57.501

mínimo

Reservorios

Capítulo 7

7

1261.806

179.318

49.811

8

1572.376

310.570

86,269

9

1786.691

214.315

59.532

10

2062.762

276.071

76.686

11

2397.586

334.824

93.007

12

2876.657

479.071

133.075

13

3291.46

414.803

115.223

14

3786.176

494.716

137.421

15

4082.863

296.687

82.413

16

4482.612

399.749

111.041

17

4775.44

292.828

81.341

18

5043.89

268.450.

74,569

19

5368.928

325.038

90.288

20

5733.618

414.690

.115.192

21

5952.18

168.562

46.823

22

6158.884

206.704

57.418

23

6328.584

169.700

47.139

24

6598.685

270.101 Consumo total diario Cx 6598.685 Consumo promedio horario 274.945

máximo

75.028 1832.968 76.374

Con los resultados obtenidos tenemos:

a) Consumo promedio durante el día, en lt/seg. = 76.374 lt/seg b) Consumo máximo horario en el día , en lt/seg. y hora en la cual ocurre Cmax h= 137.421 lt/seg

hora - 14 horas = 2 pm.

c) Consumo mínimo horario en el día , en lt/seg. y hora en la cual ocurre. Cmin h = 27.887 lt/seg

hora = 3 am

d) Valores, en porcentaje, de los consumos máximos y mínimos horario en relación con el promedio horario durante dicho día. Cmax h= 137.421 / 76.374 * 100 = 180% Cmin h = 27.887 / 76.374 *100

= 37 %

En la lamina N°01, se dibuja, el diagrama de consumos horarios (Consumo vs. Tiempo).

101

Sistema de Abastecim iento de A g u a

R icardo Narváez

Parte 2: Población Y Tenemos los siguientes datos para la población Y: Población año 2010

P = 45 500 hab.

Demanda promedio

D = 200lt/hab/d

Variación: de 30% en el día de máximo consumo

Tomando en consideración las condiciones del problema, tenemos que determinar los consumos de variación de la ciudad Y, para esto se determinará el coeficiente de variación (5 ) de la ciudad Y con respecto a la ciudad X:

Luego debemos calcular previamente los siguientes valores: Calculo de la dotación variada

(VD%v3o%)

D = Q p * variación = 200*:1~3 = 260 It/hab/d

Calculo del consumo diario total Cy = D * P =260 It/hab/d* 45500 hab Cy = 11 830 000 It/d

Consumo diario total de la ciudad X Cdx = 6 598 685 It/d Coeficiente de variación ó = Cdy/Cdx

= 11830000/6598685= 1.793

5 = 1.793f

Aceptando que las variaciones de consumo en ambas ciudades son iguales, se confecciona el cuadro N°02. Vdy =

HORA 1 2 3

102

5 *Vdx

VC acum.X / V consum o Y m3 / m 3/h m3/h 285412' 511.744' 511.744, 460.216 825.167 313.424 560.608 180.003 1005.170

It/seg 142.151 87:062 50.001

4

760.864

1364.229

359.059

99.739

5

875.486

1569.746

205.517

57.088

6

1082.488

1940.901

371.155

103.098

7

1261.806

2262.418

321.517

'89.310

8

1572.376

2819.270

556.852

154,681

9

1786.691

3203.537

384.267

106.741

10

2062.762

3698.532

494.995

137.499

11

2397.586

4298.872

600.339

166.761

12

2876.657

5157.846

858.974

238.604

13

3291.46

5901.588

743.742

206.595

C apítulo 7

Reservorios

14

3786.176

6788.614

887.026

246.396

15 '

4082.863

7320.573

531.960

147.767

16

4482.612

8037.323

716.750

199.097

17

4775.44

8562.364

525.041

145.845

18

5043.89

9043.695

481.331

133.703

19

5368.928

9626.488

582.793

161.887

20

5783.618

10370.027

743.539

206.539

21

5952.18

10672.259

302.232

83.953

22

6158.884

11042.879

370.620

102.950

23

• 6328.584

11347.151

304.272

84.520

24

6598.685

11831.442

484.291 11831.442 492.977

134.525 3286.512 136.938

Consumo diario Consumo promedio horario

e) Consumo promedio durante el día, en lt/seg. = -136.94 lt/seg

f) Consumo máximo horario en el día , en lt/seg. y hora en la cual ocurre Cmax h= 246.40 lt/seg

hora = 14 horas = 2 pm.

g) Consumo mínimo horario en el día , er\ lt/seg. y hora en la cual ocurre. Cmin h = 50.00 lt/seg

hora = 3 am

h) Capacidad mínima del tanque regulador: V

reservorio = Vexeso + V defecto

Para determinar los volúmenes de exceso y defecto de dibuja el DIAGRAMA DE MASA

(lamina N° 02) : valores acumulados de la ciudad Y vs tiempo

Se tiene los siguientes valores en forma aproximada:

Déficit = 10370.027 - 9850 = 520 m3 Exceso =* 4450- 3203.537 = 1246 m3

V re se rvorio = 520 +1246 = 1766 m3 * i) Capacidad requerida en la línea de conducción del río a la planta en lt/seg. Q1=Qmax. Diario = Qp * 1.3 = Q1 = 11831.44*1.3 = 15380.859 m3/ Q1 = 4272.46 l/seg

103

Sistema de Abastecim iento de A g ua

R icardo Narváez

j) Capacidad requerida en la línea de conducción de la planta al tanque regulador. Q2 =Q max. diario = 4272.46 l/seg

k) Capacidad requerida de la tubería matriz de alimentación del tanque regulador a la ciudad., teniendo en consideración la posibilidad de riesgo de incendio a ser combatido con la descarga proveniente de 4 grifos de 16 lt/seg. cada uno. Q incendio= 4 grifos* 16 lt/seg * 2 horas = 460 800 It = 460 ,80m3 Q3 = Q1 + Q incndio = 15380.859+460:80 Q3 = 15841.66 m3 Problema 02 Se da la tabulación de los siguientes horarios de agua consumida de una localidad y sus respectivos coeficientes de variación ( K2), en un día de máximo del año. Se pide determinar el volumen de reservorio, considerando las siguientes alternativas de bombeo y cual de estos es el más optimo. a) 16 horas de bombeo b) 18 horas de bombeo c) 20 horas de bombeo d) 22 horas de bombeo e) 24 horas de bombeo

HORA

0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12

Coef. Variac. K2 0.30 0.40 0.50 0.65 0.70 1.10 1.60 1.50 1.20 1.00 1.20 1.82

CONSUMO m3/h

HORA

31.32 41.76 52.20 67.86 73.08 114.84 167.04 156.60 125.28 104.40 125.28 190.01

12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-19 19-20 20-21 21-22 22-23 23-24

Solución: Si el volumen del reservorio queda determinado p o r : V reservorio = V incendio + V'regulación + V reserva

Coef. Variac. K2 1.43 1.10 0.80 0.90 1.10 1.80 1.50 0.90 0.70 0.40 0.40 0.40

CONSUMO m3/h 149.29 114.84 83.52 93.96 104.40 114.84 187.92 156.60 93.96 73.08 41.76 41.76

Capítulo 7

Reservorios

a) Calculo del volumen contra incendio se considera 2 hidrantes

Vinc= N hidrantes * Qp *t V

.

-

caudal de 15 It/seg -

-Tiempo 2 horas

V incendio = 2 * 15*2*3600= 216000 It = 216 m3

b) Caldillo del Volumen de reserva Vr = 33% ( V incendio + V regulación )

c) Calculo del volumen de regulación V regulación.= V exceso + V defecto

Este volumen de regulación se puede determinar de dos maneras: - Gráficamente: diagrama masa

(consumo

vs. tiempo), se dibuja

la curva de

demanda. - En forma analítica: Se tendrá que hallar la DIFERENCIA ACUMULADA para las horas donde el menor ( - ) es el defecto y el mayor ( + ) es el exceso.

Procedimiento para llenar el cuadro:

.

Columna (1) : Calculo del consumo acumulado: resulta dé sumar los consumos por hora Columna (2) : Calculo del gasto de alimentación: como para este caso es de 16 horas de bombeo para abastecer de agua, las horas restantes ( 4 horas antes y 4 horas después del día) serán abastecidas por reserva del reservorio.

Este valor resulta de dividir el caudal diario (acumulado) entre 16 horas V Columna (3):

alimentación = 2505.6/16 = 156.6 '

La diferencia parcial resulta de = Gasto de alimentación por hora - consumo por hora

Columna'(4): Diferencia acumulada: es la suma acumulada de la diferencia parcial para obtener el máximo gasto por defecto ( - ) y por exceso (+ ) :

Sistema de A bastecim iento de A g u a

Luego Máxima

Ricardo Narváez

exceso = 281.18 m3

Máximo defecto = 193.14 m3

En ( 3 ) : volumen mínimo de almacenamiento Volumen de regulación = 474.32 m3

En ( 2 ) : Volumen de reserva = 0.33 ( 216 + 474.32 ) = 227.80 m3 En ( I ) : Volumen de reservorio = 216+227.80+474.32 = 918.12 m3 V reservorio = 920.00 m3

CUADRO : PARA 16 HORAS DE BOMBEO

002-03

Diferenci Consum D iferencia . "o- ; a C onsum o Gasto acum ulad acum ulad a m3 /h o Alim ent. para 16 h K2 0.30 31.32 -31.32 -31.32 0 31.32 0.40 41.76 -73.08 -41.76 0 73.08 0.50. 52.20 0 125.28 -52.20 . -125.28

03-004

0.65

67.86

193.14

0

-67.86

-193.14

04-005

0.70

73.08

266.22

156.60

83.52

-109.62

05-006

1.10

114.84

381.06

156.60

41.76

-67.86

06-007

1.60

167.04

•548.10

-78.30

1.50

704.70

0.00

08-009 09-010 10 -0 11

1.20

156.60 • 125.28

156.60 156.60

-10.44

07-008

1.00 1.20

104.40

934.38 1059.66

156.60 156.60 156.60

31.32 52.20 31.32

-78.30 -46.98

11-012

1.82

1249.67

156.60

-33.41

12-013

1.43

1398.96

7.31

13-14

41.76

52.20'

HORA Coef.

0-1 01-002

106

125.28 190.01

829.98

5.22 36.54 - 3.13 10.44

1.10

149.29 114.84

1513.80

156.60 156.60

14-15

0.80

83,52

1597.32

156.60

73.08

15-16 16-17

0.90 1.10

93.96 104.40

1691.28 1795.68

.156.60 156.60

62.64 52.20

125.28 187.92 240.12

17-18 18-19

1.80

1910.52 2098.44

156.60

1.50

114.84 187.92

156.60

41.76 -31.32

281.88 250.56

19-20

0.90

156.60

2255.04

156.60

0.00

250.56

20-21

0.70

93.96

2349.00

0

-93.96

156.60

21- 22

0.40

73.08

2422.08

0

-73.08

83.52

22-23 23-24

0.40 0.40

41.76 41.76

2463.84

0 0

-41.76 -41.76

41.76 0.00

2505.60

Defecto

Exceso

Capítulo 7

Reservorios

Para 20 horas de bom beo: En ( 3 ) : volumen mínimo de almacenamiento . Volumen de regulación = 193.14 m3 En ( 2 ) : Volumen de reserva = 0.33 ( 216 + 193:14 ) = 135.02 m3 En {\) : Volumen de reservorio = 216+ 1.93.14+135.02= 544.16 m3

Para2G horas de bombeo el Vreservorio optimo = 545.00 m3

Problema 03 Calcular el volumen de almacenamiento, considerando un caudal máximo diario de 72 It/ség. y un caudal de incendio de 58 lt/seg.. Considerando que el área de estudio abarca una extensión de 153.54 hectáreas, para la cuai necesitamos un Qmd = 259 m3/h, pero el área de influencia del reservorio ( incluido la zona de estudio ) es 455 hectáreas aproximadamente ( asumir las variaciones horarias k2 según el servicio).

HORA

Coef. Variac. K2 (%) 35 35 35. 35 90 160 180 150 110 100 110 150

0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12

HORA

12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-1.8 18-19 19-20 20-21 2 1- 2 2 22-23 23-24

Coef. Variac. K2 (%') > 180 . 140 100 80 90 110 180 75 70 40 35 35

Solución: Calculo del volumen del reservorio, para lo cual sabemos que:’ V reservorio = V incd + V reg. + V resev.

Volumen de incendio

Vine. = 58 l/seg = 58*3.6 = 208.8 m3/h = 209 m3/h

Volumen de regulación :

V re g = . Vdefecto + Véxceso

Volumen de reserva

: Vresv = 0.33( Vine +V reg )

Calculo del volumen de regulación con apoyo del cuadro anterior: Por enunciado sabemos: 107

■

\

Sistema de Abastecimiento de Agua

"

Ricardo Narváez

Area de influencia = 455 he Area de estudio

= 153.54 he

Caudal máximo diario

Qmd = 72 It/seg = 72 *3.6 = 259.20 m3/h

Se puede platear la relación del área de influencia con respecto al área en estudio multiplicado por el Qmd , obtenemos el Qmh: Qmh = ( área de influencia / área de estudio )Qmd Qmh = (455/153.54) 259.2 m3/h = 768.11 m3/h Qmh = 768.11 m3/ h

Luego el volumen máximo de consumo es: Qmc = Qmh *K 2 = 768.11* k2 Volumen de alimentación HORA 0-1

108

Coef. K2 (%) 35

= Volumen total de consume / 24 horas

V V V consum o consum o alim entación Diferencia m3 /h acum ulado VT/24 m3/h 268.84 268.84 744.11 475.27 268.84 537.68 744.11 475.27 268.84 806.52 744.11 475.27 268.84 1075.35 744.11 475.27 691.30 1766.65 744.11 52.81

Dife. Acum . m3/h 475.27 .

01-002 002-03

35

03-004

35

04-005

90

05-006

160

1228.98

2995.63

744.11

-484.87

1469.01

06-007

1382.60

4378.23

744.11

-638.49

830.52

07-008

180 150

1152.17

5530.39

744.11

-408.06

422.46

08-009

110 100 110

-100 81 -24.00

321.65 297.64

-100.81

196.83

1 1 -01.2 12-013 13-14

150 180 140

844.92 .1152.17 1382.60 1075.35

6375.31 7143.42 7988.34

744.11

09-010 1 0- 01 1

844.92 768.11

-408.06 -638.49 -331.25

-211.23 -849.72 -1180.97

14-15

100

-24.00

-1204.97

15-16 16-17

35

9140.51

744:11 744.11 744.11 744.11

950.54 1425.80 1901.07 1953.88

768.11

10523.11 11598.46 12366.57

744 11 744.11

80

614.49

12981.06

744.11

129.62

90

691.30

13672.36

744.11

52.81

-1075.35 -1022.55

17-18

110

844.92.

14517.28

744.11

-100.81

-1123.36

18-19

180

1382.60

15899.88

744,11

-638.49

-1761.85

19-20

75

576.08

744.11

168.02

-1593.83

20-21 2 1- 2 2

70

537.68

16475.96 17013.64

744,11

206.43

-1387.40

40

744.11

436.86

-950.54

22-23 |

35

307.24 17320.88 268'. 84 | 17589.72 |

744.11

| 475.27

-475.27

Capítulo 7

Reservorios

| 23-24

35

| 268.84

17858,56

744.11

475.27' |

0.00

|

Caudal de defecto = 1761.85 m3/h Caudal por exceso = 1953.88 m3/h

Luego el caudal por regulación es: V regulación = 1761.85 + 1953.88= 3715.73 m3/h

Volumen de reserva es : V resev = 0.33 ( 3715.73 + 209 ) =1295.16 m3/h

Finalmente el volumen del reservorio es:

Vreservorio = 3715.73 + 1295.16 + 209 = 5219.89 m3/h

Vreservorio = 5220.00 m3/h

7.7 P ro b le m a s P ro p u e s to s Problema 01 En el cjüadro se indica la tabulación de los registros horarios del agua consumida en Distrito de La Esperanza, en el día de máximo consumo del año 1980:

Determinar analíticamente lo siguiente:

1 . Consumo promedio durante el día, en lt/seg. 2. Consumo máximo horario en el.día , en lt/seg. y hora en la cual ocurre. 3. Consumo mínimo horario en el día , en lt/seg. y hora en la cual ocurre. 4. Valores, en porcentaje, de los consumos máximos y mínimos horario en relación con el promedio horario durante dicho día.

Aceptando que las variaciones del consumo del Distrito de La Esperanza serán las mismas que para el Distrito del Porvenir, con los datos así obtenidos se hallará, para la segundo distrito en el año 2015 calculada una población de 53200 habitantes, con una dotación promedio de 165 It/hab/día y una variación de 25 % en el día de máximo consumo, se solicita calcular lo siguiente:

5. Consumo promedio diario en'lt/seg. 109

Sistema de A bastecim iento de A g ua

Ricardo N arváez

6. Consumo máximo horario en it/seg. y hora en la cual ocurre. 7. Consumo mínimo horario en lt/seg. y hora en la cual ocurre. 8. Capacidad mínima que requiere tener en el tanque regulador para absorber estas variaciones en el caso en que la entrada de agua

sea constante

durante todo el día. 9. Capacidad requerida en la línea de conducción del rio a la planta en lt/seg. 10. Capacidad requerida en la línea de conducción de la planta al tanque regulador. 11. Capacidad requerida de la tubería matriz de alimentación del tanque regulador a la ciudad, teniendo en consideración la posibilidad de riesgo de incendio a ser combatido con la descarga proveniente de 3 grifos. 12. Determinar gráficamente el volumen mínimo de almacenamiento para el Distrito del

Porvenir (usar papel milimetrado considerando una escala

adecuada). 13. Calcular analíticamente el volumen del reservorio para el

Distrito del

Porvenir. HORA 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12

110

DEMANDA ( m3/hr) 321.097 495.901 596.293 796.549 ■ 911.171 1118.173 1297.491 1608.061 1822.376 2098.447 2433.271 2912.342

HORA 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

DEMANDA { m3/hr) 3327.145 3821.861 4118.548 4518.297 4811.125 5079.575 5404.613 5819.303 5987.865 6194.569 6364.269 6634.37

Capítulo 8 Diseño Hidráulico de la Red de Distribución

Recordando que para un estudio de abastecimiento de agua, lo primero que debe definirse es la fuente de abastecimiento (lago, río, agua subterránea, embalse natural o artificial) captados por estructuras especiales y ser conducidos por tuberías a los tanques de almacenamiento conocidos como reservorios (de acuerdo a la demanda del consumidor).

En este capítulo se va ha realizar el estudio y diseño hidráulico del sistema de la Red de distribución a los puntos de consumo a una localidad, considerando los diferentes demandas estimadas por el área de influencia o por el uso de las edificaciones que se consideran construidas y proyectadas en el normal crecimiento urbano de una localidad (uso domesticas, industrial, colegios, mercados, restaurantes, etc.)

8.1 D e fin ic ió n Es el conjunto de tuberías que partiendo del reservorio de distribución y siguiendo su desarrollo por las calles de la ciudad, sirven para llevar agua potable al consumidor, 'brindando un buen servicio en cantidad, calidad y presión adecuada para todo un periodo de diseño considerado inicialmente en el diseño.

Forman parte de la red de distribución diferentes accesorios como: válvulas hidratantes, reservorios, reguladores ubicadas en diversas zonas.

Sistemas de Abastecim iento de A g u a

Ricardo Narváez

La cantidad de-aguaf estaría'definida por los consumos estimados en base a las dotaciones más favorables, lo cual hace pensar en la aplicación de factores para hallar la demanda de incendio, dependiendo de la ciudad y la zona.

La presión con la que el agua debe circuiar a través de la red de distribución debe ser tal que no produzca los golpes de ariete por ser muy grande,' ni debe ser tan pequeña que pueda producirse sedimentación en las tuberías. Las presiones de la red deben satisfacer ciertas condiciones' de prééiones; mínimas y máxirrias para mantener presiones de trabajo mínimo capaces de llevar agua a las edificaciones, según el RNC las presiones mínimas y máximas consideradas son de 15 y 50 m de columna de agua respectivamente.

Tienen como principal objetivo el de proveer

agua de uso doméstico, industrial,

contra incendio, limpieza de calles, riégó de jardines, etc.

8.2 P la n e a m ie n to de un S is te m a de D is trib u c ió n Elección para el almacenamiento y distribución. Reservorio Único. Reservorio principal y reservorio regulares zonales. Ubicación de los'reservorios ai'comienzo y al final de la red. Procedimiento de distribución en función con el trazado: circuito abierto o circuito cerrado.

Determinación de las Presiones: -

Se asume una presión mínima de 15 m (en columna de agua) y una máxima de 50 mt. En ciudades pequeñas puede tomarse una presión mínima de 8 a 10 mt.

Colocación de Válvulas.

. .

- Se colocan válvulas de cierre y purga, aire, hidrantes, etc.

Consideraciones para determinar la capacidad del reservorio y diámetro del sistema Estimación de

la población futura de acuerdo al período de diseño

considerado. División de la ciudad en zonas o distritos de agua contando la extensión de la población así lo requiera. 112

Capítulo 8

Diseño H id ráu lico de la Red de D istribución

Densidad de la población de cada zona. Ubicación, de

los

Edificios

importante • que puede

significar consumos

especiales.

;

Dotación de agua per cápita.

. . .

Máximo horario, máximo diario y máximo maximorun. Diagrama de masa y periodos de almacenamiento. Demanda contra incendio. Planos topográficos para el, trazado y verificación de cotas. Consideración de zonas de futura expansión. Consideraciones Generales sobre el Trazado de la Red.

8.3 E le m e n to s de la re d La red de distribución está conformado por un conjunto de tuberías y accesorios cuya finalidad es la de contribuir el agua a los lugares de consumo en forma conveniente de modo que garantice el normal abastecimiento de agua

a la localidad. Este

conjunto de tuberías que forman el sistema de distribución se clasifican en tuberías de alimentación, troncales y de servicio.

,

'

-

8.3.1 Tuberías Línea de alim entación Esta línea

de alimentación esta constituida por las tuberías que van desde el

reservorio hasta la zona de reservorio.

Tuberías troncales A estas tuberías se le conoce también como red principal; y son aquellas, tuberías que tienen mayor diámetro y que conforman la Red de Distribución formando los circuitos cerrados o abiertos.

Tuberías de se rvicio A esta tubería se le conoce también como red secundaria y son aquellas tuberías que tienen menor diámetro y que están conectadas a las tuberías troncales. Son las encargadas de brindar el servicio local a las edificaciones, conformando la malla del sistema de distribución.

En el cuadro 8.1 se indican las velocidades y caudales máximos considerados para tuberías de diferentes diámetros. 113

Sistemas dé A bastecim iento de A g u a

Ricardo Narváez

CUADRO 8.1 VELOCIDADES Y GASTOS MAXIMOS EN TUBERIAS DIAMETRO (Pulgadas)-

>

2 2 1/ 2 3 4 5 6 8 10 12 14 16 18 . 20

VELOCIDAD MINIMA m/s ■

CAUDAL MAXIMO L/s .

' 0.6 0.7 0.7 0.75 0.80 0.80 0.90 1.00 1.00 1.10 1.10 1.20 1.20

1.2 1.2 3.2 6.10 10.40 14.00 24.20 50.70 72.80 107.20 141.60 195.00 235.06

' ‘

8.3.2 A c c e s o rio s Válvulas de aire o ventosas. Son utilizados en los puntos altos del tendido de la tubería donde hay la tendencia de acumulación de aire. Si las presiones son altas, el aire tiende a disolverse y continúa en las tuberías hasta que es expulsado. Si la presiones son de bajas, el aire no se disuelve, creando bolsas de aire que reducen el área útil de la tubería. Las bolsas de aire resultantes, pueden ser desplazadas a lo largo de la tubería y provocan este fenómeno, es por esta razón que se utiliza válvulas de aire, ubicadas en los puntos más altos, permitiendo la expulsión de aire.

Se colocaran válvulas extractoras de aire en cada punto alto: de las líneas de conducción. Cuando la topografía no sea accidentada, se colocarán cada 2.5km, como máximo y en los puntos más altos. Si hubiera peligro de colapso de la tubería a causa del material de la misma y de las condiciones de trabajo se colocarán válvulas de doble acción (admisión y expulsión): El dimensíonado de la válvula se determina en función del caudal y presión de la tubería.

Válvulas de lim pieza o purga En los puntos bajos hay la tendencia a la acumulación de sedimentos. Para eliminar estos sedimentos se colocan las válvulas de limpieza. La limpieza consiste en una derivación de la tubería prevista de llave de paso. Se colocaron válvulas de purga en 114

Capítulo 8

Diseño H id ráu lico de la Red de D istribución

los puntos bajos teniendo en consideración la calidad del agua conducida y la modalidad de funcionamiento de la linea.

Las válvulas de purga se dimensionarán de. acuerdo a la velocidad de drenaje siendo recomendable que el diámetro de la válvula sea menor que el diámetro de la tubería. En el cuadro 8.2 se indica los diámetros de las válvulas en función del diámetro de las tuberías.

CUADRO 8.2 DIAMETRO DE LAS VALVULAS EN FUNCION DEL DIAMETRO DE LA TUBERIA

D iám etro de la Tubería

Diám etro de la vá lvula de purga

0 < 4"

Mismo diámetro de la tubería

4” < 0 < 16”

4”

0 > 16"

0 de la tubería 14

8.4 Red de distribución 8.4.1 C irc u ito a b ie rto o ra m ific a d o Se considera en este tipo de circuitos el tipo espina de pescado y parrilla:

Circuito tip o espina de pescado Consiste en un conducto principal qué corre por la calle principal de la población disminuyendo de diámetro a medida que avanza y que alimenta condüctos laterales que se desprenden de él. Es adecuada para poblaciones pequeñas de trazo longitudinal y tienen el inconveniente de no dar buena distribución

de presiones y

requerir mayores diámetros por que todo el flujo es a través de un conducto principal.

115

Sistemas de A bastecim iento de A g u a

Ricardo Narváez

C ircuito tipo parrilla. Tiene conductos de mayores diámetros en el sentido iongitudinal, transversal de trecho en trecho que alimentan a una red de menores diámetros. Es conveniente para poblaciones pequeñas no muy extendidas con calles principales según dos ejes. Tiene el mismo inconveniente que el sistema anterior.

Figura 8.2 Red de distribución tipo parrilla 8.4.2 C irc u ito c e rra d o Consiste de un sistema de conductos principales que rodean a un grupo de manzanas de las cuales parten tuberías de menor diámetro, unidos en sus extremos al eje. Este sistema es apropiado para ciudades de mediano y gran tamaño, tiene la ventaja que como

cada tubería es alimentada en sus extremos, se disminuye el

recorrido por lo tanto se disminuye la pérdida de carga. Este

tipo de red de

distribución es el más conveniente y permite un servicio más eficiente y permanente en la red de distribución.

En el dimensionado de una red de distribución tipo cerrada se trata de encontrar los gastos de c ircu la ció n

de cada tramó, para lo cual nos apoyafrtoá en algunos

métodos estimativos de gastos en los nudos.

En ciudades donde no exista plano regulador, la estimación de los gastos M edios de Consum o se hará en función dél crecimiento poblacional para el periodo de diseño considerado. Deberán tomarse en cuenta las características de las viviendas, las densidades de la población por zonas y la posibilidad de desarrollo o de expansiones futuras hacia alguna zona en particular.

Resulta ventajoso hacer d ivisió n por zonas, tratando de reunir aquéllas que presentan características homogéneas o similares, tomando en cuenta la densidad actual y el posible incremento futuro.

116

Capítulo 8

Diseño H id ráu lico de la Red de D istribución

C irc u ito s dé un s is te m a c e rra d o C ircu ito prim ario: Es el formado por tuberías principales de mayor diámetro de la red separados de 800 a 1,000 m. C ircuito secundario: Se enlaza al circuito primario por tuberías de diámetro intermedio separadas de

400 a 600 m.

C ircuito de Relleno. Constituyen

el

distribución del cual salen las conexiones

sistema

propiamente

domiciliarias

con

un

dicho de diámetro

mínimo de 3” que en casos extremos podría ser de 2" de diámetro.

8.5 U b ic a c ió n de tu b e ría s Para la ubicación de las tuberías se tomarán en cuenta las recomendaciones dadas por el RNC y que se detallan a continuación: La distancia entre línea de propiedad y el plano vertical tangente al tubo no será menos de 0.80 m. -

Las distancia mínima entre ios planos verticales tangentes dé una tubería de agua potable y una de alcantarillado instaladas paralelamente no será menor de 2.00 m medidas horizontalmente. En casos

de

vías vehiculares,

las tuberías

de agua

potable deben

proyectarse con un recubrimiento mínimo de 0.80 m sobre la clave del tubo. En las calles de 24m de ancho o menos, se proyectará una línea de agua potable a un lado de la calzada y de ser posible en el lado de mayor altura, a menos que se justifique la instalación de 2 líneas paralelas.

8.6 C o n e x ió n p re d ia l En base a la cantidad de lotes se cuantifica las tomas domiciliarias, siendo él diámetro mínimo a utilizar en la conexión predial de 12.5mm (Vz") y los elementos de control

se ubicarán a una distancia entre 0.30m a 0.80m dél límite de propiedad

izquierda. Una conexión domiciliara típica'de agua potable, está contribuida por los siguientes elementos: abrazaderas, unión roca, conducción, caja de protección, llave de control, conexión interior, etc.

117

Sistemas de Abastecim iento de A g u a

R icardo Narváez

8.7 O p e ra c ió n y m a n te n im ie n to Para realizar las labores de operación y mantenimiento se deberá tener en cuenta lo siguiente: Deberá realizarse inspecciones rutinarias y periódicas para localizar probables roturas, y/o fallas en las' uniones o materiales de pavimentos, cimentaciones, etc. -

• *

De detectarse aquellos, deberá reportarse a fin de realizar el mantenimiento correctivo.

-

.•

Deberá realizarse periódicamente, muestreos y/o detección de fugas, para determinar el estado general de la red y su probable necesidad de reparación y/o ampliación. Deberá realizarse periódicamente muestreo y control de calida de agua en puntos estratégicos de la red de distribución, a fin de prevenir o localizar probables focos de contaminación y tomar las medidas correctivas del caso.

8.8 Diseño hidráulico de ia red Para realizar el diseño hidráulico se debe tenér los siguientes criterios en el trazo de la red matriz y ciertas consideraciones de diseño que se deben tener en cuenta:

C onsideraciones dei trazo de la red El trazo de la red se realiza considerando que la tubería matriz pasa por los puntos desde los cuales se pueden abastecer próporcionalmente a las diferentes manzanas, fundamentales en donde se prestan servicio prioritarios, cada manzana queda en. circuito que las alimentan.

Consideraciones de diseño En el plano se realiza el trazado por donde va a pasar la red matriz del agua. Se hallan las áreas de influencia para cada tramo de la red matriz. Luego se calculan los caudales de consumo para cada tramo. -

Hallamos los caudales de reparto o salida para cada tramo teniendo en consideración las cotas del terreno. Haciendo ingresar el caudal de diseño, se reparte entre todos los circuitos. Según los caudales de la matriz elegimos los diámetros y luego procedemos a verificar que cumplan con las consideraciones de presiones mínimas y máximas que recomienda el RNC;,el procedimiento empleado es una hoja de calculo aplicado el método de Hardy Cross y haciendo uso de la formula de

118

i

Capítulo 8

Diseño H id ráu lico de la Red de D istribución

Hazen y W illiam s,

también puede utilizarse software actualizados como el

EPANET y WATERCAD. Estas aplicaciones de los programas se indican en los capítulos finales.

8.8.1 C á lc u lo d e l c a u d a l en m a rc h a (Q m ) Para dimensionar la red matriz es necesario determinar el caudal de en marcha o caudal de distribución que pasa por los tramos de una malla. También es llamado caudal de salida o de reserva. Este gasto

se determina

aplicando diferentes

métodos según los datos que se tienen de la localidad, los métodos son:

a)

El área de influencia

■

b)

El uso de los lotes o longitud equivalente

c)

La longitud alimentada,

a) M étodo de las áreas Es un método aproximado que considera las áreas de influencia y las áreas a proyectar para determinar el gasto o consumo medio según

la zona

que

abarca cada tramo, por medio de un caudal unitario. Gasto en m archa y caudal unitario Es el gasto o caudal de reserva según el nudo de influencia que se determina por medio de un gasto unitario parte míníma de la población.

y del área de influencia que comprende una También se reparte de acuerdo a las

características de uso del agua y a la magnitud física de cada área comprendida. El caudal en marcha y caudal unitario se indica en las siguientes ecuaciones:

Qm = qu * Ap

y

q u = Qmh/At

Donde: Q m = Caudal en marcha o gasto de reserva (l/s) q u = Caudal unitario ( l/s/he) At

= Area total de influencia (he)

Ap

= Area parcial de influencia

Qmh = Caudal máximo horario

119

Sistemas de A bastecim iento de A gua

Ricardo Narváez

Cuando el caudal unitario Se indidá en "función del tip o 'de la vivienda, se considera las siguientes unidades para los caudales: Q (l/s/lote) 1 Q (I/s/ml) ‘

- para zona donde el reparto del Q se hacé por lote para la zona donde se reparte el Q no sé hace por lote

Q (l/s/ha)

El área de influencia

caso de parques.

se determinara trazando la mediatriz de cada tramo y

dividiendo el área en figuras conocidas para luego ser calculadas con ayuda

Ejemplo de aplicación Calcular los gastos en los tramos que forman la malla que se muestra en la figura 8.4, sabiendo que el caudal máximo horario es de 180 l/s, las áreas parciales se dan en el cuadro. A

B

C

-------------------------

E D

G

H

I

Figura 8.4 Esquema hidráulico de la red matriz 120

Capítulo 8

Diseño H id ráu lico de la Red de D istribución

Solución: 1. Calculo del área total de la zona a proyectar At = XAparciales = .132.00' he 2. Caudal unitario:

qu =1.3636

'% °/\\\-

3. calculo del caudal en marcha o de reserv?: . ■_Qm = qu * Ap Con las áreas que se muestran ep el

esquema hidráulico de .la red matriz se

construye el siguiente cuadro:

TRAMO AB AD DG DE GH EH EF BE BC CF Fl Hl X Qmh= qu =

AREA (ha) 14.3258' 10.2589 12.4506 7.2581 12.2036 7.2410 8/2905 6.4597 13.2560 10.5890 13.2458 16.4256 132.00

Qm (l/s) 19.535 13.989 .16.978 9.897 16.641 9.874 11.305 8.808 18.076 14.439 18.062 22.398 180.00

180.00 Lt/seg 1.3636 Lt/seg/ha

Luego se indican los caudales de reserva o de salida según el área de influencia, la topografía y de acuerdo a la experiencia del proyectista:

121

Sistemas de Abastecim ie'nto'de A g u a

R icardo Narváez

P ro b le m a p ro p u e s to Utilizando el esquema hidráulico del problema anterior-y con ios datos' de la tabla siguiente, calcular el caudal en marcha en los tramos para un caudal máximo horario de 124 l/s. TRAMO

AREA (ha) AB 24.10, BC 17.48 CD 8.32 DE 6.36 EF 7.94 16.48 EH AF 14.18 EB 15.70 FC 20.70 DI 11.93 Hl 14.14 GH 18.56 i •• í"„ g t I Qmh= n i qu =

Qm (l/s) Ib . « U n \ i ?■"* '

Vi

Iti

ípj

b) Método de la lon g itu d equivalente Es un método aproximado que considera el consumo del agua según el uso de los lotes (factor de consumo K) para una longitud de distribución, de acuerdo a un caudal unitario. Gasto en m archa equivalente y caudal unitario equivalente Es gasto en marcha equivalente o caudal de distribución que se determina de acuerdo al uso del lote por medio de una longitud equivalente de distribución esta en función de un caudal unitario equivalente. El caudal en marcha equivalente y caudal unitario equivalente se indica en las siguientes ecuaciones: Qme= que Lep

y

que = Qmh / £ L E

Donde: Qme = caudal en marcha o caudal de distribución ( L/s) que

= caudal unitario equivalente (l/s/ml)

-

Qmh = caudal máximo horario (l/s) ][LE

= sumatoria de todas las longitudes equivalentes que corresponden al tramo en estudio (m): ' IL E = LE1+LE2+... ,.+LEn

122

Diseño H id ráu lico de la Red de D istribución

Capítulo 8

Longitud de iá tubería équivalente (LE) Es la longitud de la tubería real expresado en función del consumo de la población se considera para vivienda popular, residencial, industrial, etc.

LE = L r K Donde: LE = Longitud equivalente (m) Lr = longitud del tramo real •. I K = factor de uso (cuadro (8,3)

Casos prácticos: a) Para un frente de un servicio:

Lr

LE = Lr K

12

b) Para dos frentes de un servicio cada uno, con un solo uso:

Figura 8.6 Esquema de dos frentes para un servicio cada uno (un solo uso)

2

£L E ,2 - L / 2 (K i + K 2)

c) Para dos frentes de un servicio cada uno, con más de un tipo de uso:

Figura 8.7 Esquema de dos frentes

Ka

para un servicio cada uno con mas de

Kc

un tipo de uso K'b

123

Sistemas de Abastecim iento de A g u a

R icardo Narváez

La ecuación para una determinar longitud equivalente; para este caso es:

LE = Lra

K a + K c )'

+ Lrb

Kb + Kc)

Lra Lrb Lrc LE = K a ----- + K b ------ + K c -----2 2 2 Los factores de consumo (K), para diferentes usos,de los lotes se presentan en cuadro 8.3.

CUADRO 8.3 VALORES DEL FACTOR K SEGÚN EL USO DEL LOTE TIPO DE USO

K

Vivienda popular(vp)

1.00

Vivienda residencial(Vc)

1.20

Comercio seco (Ce)

0.80

Comercio húmedo(Ch)

1.50

Área de recreación (Ar)

1.35

Zona industrial (Zi)

1.70

E je m p lo de a p lic a c ió n 1. Calcular la longitud equivalente de la figura 8.6 sabiendo que el lote 1 es de uso. comercio seco y el lote 2 es de uso para vivienda residencial, si la longitud real es de 150 m. Solución:

2\ Determinar los caudales de distribución para el tramo AB que se indica en la figura, sabiendo que el Qmh es 60 lps. A

124

L1=20O.n

L2=16Qm

L3=l40m

L4=130m

L5=]9Qm

R

Diseño H id ráu lico de la Red de D istribución

Capítulo 8

Solución: Calculo de la longitud equivalente para cada tramo:

I

Calculo del caudal unitario equivalente

3. Para el esquema de lotes

que =

que se muestra en la figura determinar el caudal en -

marcha en cada tramo y su influencia en el nudo correspondiente, si el Qmh es 120 lps. Vr

7.\

Figura 8.8

125

Sistemas de Abastecim iento de A g u a

Ricardo Narváez

Solución: Calculo de la longitud equivalente para cada tramo:

Calculo del caudal unitario equivalente:

c) Método de la lo n g itu d alimentada En ente método aproximado se determina el caudal en marcha o de reserva considerando la longitud del tramo de la matriz más la longitud alimentada por este tramo (Ibngitud de la tubería secundaria de la red de distribución) en función de un caudal unitario. Qm= Qu Lap y qu= Qmh/Lta

,

Donde: Qm= caudal en marcha (l/s) Qu = caudal unitario (l/s/ml) Lap = longitud alimentada parcial por tramo (m) Lta = Longitud total alimentada de la red matriz (m)

C apítulo 8

Diseño H id ráu lico de la Red de D istribución

8.8.2 D ise ñ o h id r á u lic o de la Red M a triz Para determinar las características hidráulicas de la red matriz se aplican muchos métodos de aproximación, siendo uno de los más recomendados por su proceso iterativo y fácil verificación es el Método de Hardy Cross. Método de Hardy C ross Llamado también método de los caudales asumidos o de aproximaciones sucesivas. Es un método aproximado para determinar los caudales reales de la red según la zona de influencia de cada tramo. Recomendaciones para sus aplicaciones:

1.-C ondiciones de la red: a) La suma algebraica de las perdidas de carga alrededor de un circuito debe ser cero hf be = Eb - Ec hf be = Ec - Ed hf be = Ed - Ea hf be = Ea - Eb Hf = 0

b) El caudal que llega a cada nudo de la red es igual al caudal que sale de él.

I Q¡= XQs

c) El caudal que ingresa a la red es igual al caudal que sale de ella.

2.-Fundamentos

Figura 8.9

a) Consideramos cierta distribución de caudales Qo en cada uno de los tramos de la red. Asignando signo positivo (+) aquellos en sentido horario, así como las perdidas de carga correspondientes y en caso contrario signo negativo ( - ) .

Figura 8.10 127

Sistemas de Abastecim iento de A g ua

R icardo Narváez

b) Consideramos que el caudal correcto esta indicado por: Q ~ Qo + AQ Donde: AQ = Es la corrección o error Qo = Caudal inicial Sí la perdida de carga ( H f) en el tramo considerado esta dado por Para H&W el valor de

n = 1.85 y Darcy n = 2

Hf = K Q"

'

También puede expresarse por la siguiente expresión: Hf =

107 L n 4 87 5.813C 1.85 D

l .85

Asumiendo un factor K:

C 1 85 Z)487 Si la suma algebraica de la pérdida de carga de cada circuito es igual a cero (£hf=0), se tiene la expresión para realizar la corrección de los caudales supuestos al inicio de cada interacción: :

.•

Zhfo + nZ

h /° = O Oo

La corrección es: A0 =

Zhfo hfo nZ ~Qo

< 0.01

8.8.3 P ro b le m a re s u e lto 1. En la figura que se presenta un esquema hidráulico de una red matriz con sus caudales de reserva y longitud en cada tramo. Calcular las características hidráulicas de la red de distribución aplicando el método de HardyCross. Considerar tuberías de concreto.

Figura 8.1

128

7.6 l/s

Diseño H id ráu lico de la Red de D istribución

C apítulo 8

Solución

N

Calculo Del caudal que ingresa: 5 Qi= 38, t i

;

Se realiza la distribución de caudales según él área dé influencia 9 T l/c '

7 S l/c

6.4 l/s

4 l I/* 7 6 l/c

Figura 8.12 Se calcula (os diámetros de la red matriz considerando el caudal de distribución y las velocidades de acuerdo al tipo de material de la tubería. Las velocidades para el diseño inicial

se recomienda que sea entre 0.9 a 1.5 m/s., Luego se

diámetro comercial

asume el

y se verifica las velocidades correspondientes en cada tramo,

como se indica en el siguiente cuadro: Datos iniciales: Velocidad considerada Caudales iniciales Diámetro comercial

1.5 Qi De

(m/s) (l/s) (Pulg)

■

Ha

Qi (l/s)

Qi(m3/S)

D (m )

D(pulg)

Dc(pulg)

V(m/s)

AB

12.3

0.0.1230

P. 1022

C4

5

0.97

BD

3

0.00300

0.0505

2

3

0.66

CD

3

0.00300

0.0505

2

3

0.66

AC

17.8

0.01780

0.1229

5

6

0.98

DF •

3.5

0.00350

0.0545

2

3

0.77

EF

2.9

0.00290

0.0496

2

3

0.64

CE

7.2

0.00720

0.0782

3

4

0.89

TRAMO

'

Sistemas de A bastecim iento de A g u a

Ricardo Narváez

Con los diámetros comerciales asumidos y los demás datos se realiza el proceso iterativo correspondiente hasta .que el valor de la corrección sea despreciable como se muestra en el siguiente cuadro:

N° CIRCUITO !

Tram o AB BD CD AC

Datos iniciales L (km) .0 (pulg) 0.6 5 • 0.9 3 0.7 3 1.2 6

CD DF EF CE

II

0.7 0.8 0.6 0.9

3 3 3 4

C 110 110 110 110

Qo 12.3 3 3 17.8

110 110 110 110

3 3.5 2.9 7.2

CICLO I Factor K 0.06810 1.22918 0.95603 0.05604 1 = ÁQ= 0.95603 1.09260 0.81945 0.30280 I AQ=

Hf 7.070 9.382 -7.297 -11.530 -2.374 0.189 7.2970 11.0914 -5.8743 -11.6742 0.8399 -0.049

Hf/Qo 0.57483 3.12728 2.43233 0.64773 6.78217

AQ -0 .1 8 9 -0 ,1 8 9 -0 .2 3 8 -0 .1 8 9

Q1 12.49 3.19 -2.76 -17.61

2.43233 3.16898 2.02563 1.62142 9.24836

-0.238 -0.049 -0.049 -0.049

2.76 3.45 -2.95 -7.25

CICLO 11 Q1 12.49 3.19 -2.76 -17.61 z= AQ= 2.76 3.45 -2.95 -7.25 J_= AQ=

130

Hf 7.273 10.506 -06.261 -11.304 0.214 -0.017 6.261 10.805 -6.060 -11.822 -0.8152 0.049

Hf/Qo 0.58234 3.29418 2.26708 0.64187 6.78547

AQ -0.017 * -0.017 -0.066 -0.017

Q2 12.47 3.17 -2.83 -17.63

2.26708 3.13116 2.05474 1.63081 9.08379

0.066 0.049 0.049 0.049

2.83 3.50 -2.90 -7.20

C apítulo 8

D iseño H id ráu lico de la Red dé D istribución

Q2 12.47 3.17 -2.83 -17.63 X= AQ= 2.83 3.50 -2.90 -7.20 1= AQ=

. Hf 7.255 10.402 -6.539 -11.324 -0.206 0.016 6.539 11.088 -5.877 -11.676 0.0743 -0.004

CICLO III Hf/Qo 0.58166 3.27920 2.31275 0.64240 6.81601 2.31275 3.16853 2.02598 1.62153 9.12879

AQ 0.016 0.016 0.021 0.016

24

>600

250

Las dimensiones de los buzones varían en función del diámetro de los colectores que llegan al buzón de acuerdo a los siguientes requisitos:

Profundidad mínima de 1.20 m. Diámetro interior para: Tuberías hasta diámetro de 800 mm Tuberías hasta diámetro de 1200 mm

1.20 m. ;

. 1.50m.

Para los casos en que un colector llegue a un buzón a más de 1.00 m sobre la base o fondo, se diseñará un tubo de caída.

9.5.5 P la n ta de tra ta m ie n to Es el punto final del sistema en donde los efluentes se depositan para su respectivo tratamiento.

Las plantas de tratamiento son estructuras donde se depuran las

153

Sistema de A lcantarillado

R icardo N arváez Aranda

aguas residuales, con la finalidad de cumplir con las normas de calidad del cuerpo receptor o de reutilización.

9.5.6 C o n e x io n e s d o m ic ilia ría s Estos elementos del sistema de alcantarillado ¡son secundarios, ya que no requiere de un diseño específico, debiendo simplemente regirse de las especificaciones vigentes. Las conexiones domiciliarias son las que: son

las que permiten la

evacuación de las aguas servidas de los lotes hacia la red de alcantarillado y estarán ubicadas a una distancia entre. 1 .20m., y-2 .00m. de la linea de propiedad, izquierda o derecha. El diámetro mínimo para esta conexión será de 6 " (150 mm.), con una pendiente mínima de 15 por mil.

Para llevar a cabo esta conexión se contará además de la tubería: Una caja de desagüe de concreto simple >

Una tapa de concreto prefabricada de 24 x 50 cm.

- , Un elemento de empalme que permita,la descarga del flujo en . caída líbre sobre la clave del tubo colector.. Tubos de C.S.N. de 1.00 m. De espiga - campana de 150 mm. de diámetro.

9.6 tipo.s de a g u a s re s id u a le s Las aguas residuales-que se tienen que evacuar por el ..sistema de alcantarillado, pueden clasificarse en aguas residuales domesticas, industriales y pluviales:

9.6.1 A g u a s re s id u a le s d o m é s tic a s Son aquellos deshechos líquidos que . se originan después de realizar las operaciones de limpieza, lavado y necesidades sanitarias de las viviendas, establecimientos comerciales, instituciones y edificios públicos. 9.6.2 A g u a s re s id u a le s in d u s tria le s Se les denomina así a los deshechos líquidos, provenientes de las industrias, variando su composici0n.de acuerdo a las operaciones de la industria. 9.6.3 A g u a s p lu v ia le s Son aquellas aguas provenientes* del escurrimiento superficial del terreno a causa de las precipitaciones fluviales (lluvias) aunándose a esto las aguas de limpieza de las calles..

154

C apítulo 9

Sistem a de A lcantarillado Sanitario

9.7 T ip o s d e s is te m a s de a lc a n ta rilla d o El sistema de alcantarillado según el tipo de agua residual que conduzcan se clasifican en: 9.7.1 S is te m a de a lc a n ta rilla d o c o m b in a d o Es un sistema mediante el cual las redes son diseñadas para recoger y conducir las aguas residuales junto con las^aguas provenientes de las lluvias, además de las aguas de infiltración.

■ *

9.7.2 S is te m a de a lc a n ta rilla d o s e p a ra d o Este sistema es concebido para recibir exclusivamente ¡las aguas residuales urbanas, considerándose un sistema de alcantarillado propio e independiente para conducirlas aguas provenientes délas lluvias.

9.8 D e te rm in a c ió n d e l c a u d a l de a g u a s re s id u a le s 9.8.1 A p o rte A g u a s D o m e s tic a s

’

Depende exclusivamente del agua sumínístradá. El Reglamento nacional de Construcciones S-100 (R.N.C.) recomienda que sé consldere el ' 80% del caudal del agua consumida como aporte de contribución al alcantarillado, es decir que este porcentaje se aplicara al caudal máximo correspondiente a la demanda horaria. Q doméstico = 80%Qmm ( It/s) 9.8.2 A p o rte A g u a s p o r In filtra c ió n Es el agua que ingresa al sistema de alcantarillado, proveniente del terreno inmediato y que tiende a reducir la capacidad de conducción. Está en relación a la permeabilidad del suelo, gradó-de saturación de agua freática ’y clase de tubería a emplearse.

■'■

En general se considera: Para colectores: Caudal unitario por kilómetro de colector?1- ‘ qt = 20000 l/día/Km. El caudal de infiltración por colectores es:

'

-;

Q inf - col = (200001/día/Km.) L / 86400 Donde:

’

: -

Qinf-cll = caudal de infiltración (l/s) L = longitud de tubería del colector por tramo (Km.) Para buzones: Caudal unitario por buzón:

~ . qb = 380 l/día/buzón

■ Caudal de infiltración en buzones es: Q inf - buz í (380lt/día/buzón) B / 86400 155

Sistema de A lcantarillado

R icardo N arváez Aranda

.Pande: . : .

; . ■

.,

Qinf-buz= caudal de infiltración en buzón (l/s) ■

B = número de buzones

9,8.3 A p o rte de P re c ip ita c ió n F lu v ia l De acuerdo a los datos estadísticos

de precipitación obtenidos para la zona en

estudio se ha determinado una precipitación

media

de 10mm/mes. Usando la

expresión de Berkli'~ Ziegler.obtenemos. el valor del caudal de contribución.

Diluvia = 0.022 E A P

u

—

Donde: E = coeficiente medio de flujo A = área drenada (He) S = pendiente media del terreno (m/km) P = precipitación media, durante la lluvia mas fuerte en el fenómeno del niño (cm/hora)

~

:

CUADRO 9.3 VALORES ÚSUALES DEL COEFICIENTE MEDIO DE FLUJO

DESCRIPCION

E

Áreas densamente pobladas

0.70-0.75

Zonas residenciales comunes

0.50-0.65

Zonas sub - urbanas

0.30-0.45

.Campos de cultivo Parque y jardines

0,20-0.30 0 .1 5 - 0 . 2 5

9.9 C rite rio s h id rá u lic o s de d is e ñ o Para el diseño del sistema de alcantarillado se considera las normas del Reglamento Nacional de Construcciones S.100, a continuación mencionaremos los criterios tomados en el diseño de la red de alcantarillado. 156

C apítulo 9

Sistem a de A lcantarillado Sanitario

9.9.1 C a u d a le s (Q) Los caudales del sistema se calcularán de acuerdo a los siguientes criterios: - Se considerará el 80% del caudal-de agua potable consumida que ingresa al sistema de alcantarillado. Este porcentaje señalado se aplicará al caudal máximo horario (máximo máximorum) de agua potable. - El agua de infiltración a los sistemas de alcantarillado está en relación ;con los terrenos saturados, de agua freática, permeabilidad del suelo >y al -tipo de tubería a emplearse. .

.■ - . ^

=

- Las tolerancias promedios comunes establecidos para drenajes, tendidos bajo el nivel freática son: De 19,000 l/día por hectárea De 67,400 I/día por Km. de alcantarilla De 2,000-l/día/Km. de colector más 380 l/día/buzón (según las normas de salud)

9.9.2 D iá m e tro m ín im o (D) Por lo general el diámetro más conveniente de los colectores es la que produce en igual sección un perímetro mojado mínimo y, por consiguiente un gasto máximo, el cual se considera para una sección circular cuando trabaja tubo Heno.

En las conexiones domiciliarias el diámetro mínimo aceptado, es de 6” (150 mm) y en los colectores del alcantarillado es de 8” (200 mm) en general se usan colectores circulares hasta 24” (600 mm) debido a que los tubos pequeños se obstruyen rápidamente y son difíciles de limpiar.

9.9.3 V e lo c id a d (V) Los colectores se obstruyen por el depósito de materiales residuales por lo que es necesario que tengan velocidades autolimpíántes. Para tuberías de concreto la velocidad mínima será de

0.6 m/seg para evitar la sedimentación de los sólidos

por poca velocidad de arrastre. Por otro lado las velocidades elevadas son causantes de erosión en las canalizaciones por lo que sé acepta como máximo 3m/seg. Hay que tener presente que la velocidad depende de la pendiente de la tubería. Velocidad mínima = 0.6 m/s Velocidad maxima = 3.0 m/s

157

Sistema de A lcantarillado

R icardo N arváez Aranda

9.9.4 Pendiente (S) La pendiente debe generar velocidades aceptables en las redes de alcantarillado, por lo que éstos deben variar de acuerdo al diámetro de las. tuberías. Debe tratarse que la pendiente asegure velocidades uniformes en todo el proyecto para conseguir mejores condiciones hidráulicas.

-

-

'

En ios 300 m. iniciales de cada colector se deberá mantener una pendiente mínima de 1%. Para la elección de la pendiente del colector se debe tener presente lo siguiente: Si la pendiente (S) del terreno es mayor que la pendiente mínima se adopta la pendiente del terreno. St >Smín -

usar St

Si la pendiente del terreno es menor o igual a la pendiente mínima se adopta la pendiente mínima. St 5 Smín usar Smín

CUADRO 9.4 PENDIENTE MÍNIMAS DE COLECTORES DIAfli/IETRO mm 150 200 250 300 350 420 500 600 >600

pulg 6 8 10 12 14 18 20 24 > 24

Pendiente m ínima (m/m) 0.010 0.004 0.003 0.0022 0.0015 0.0012 0.0010 0.0009 0.0008

9.10 Procedimiento para el diseño El diseño

hidráulico de la red de alcantarillado se debe considerar el siguiente

procedimiento: Se trazó la red de flujo del sistema de alcantarillado sobre un plano topográfico de toda el área comprendida en el diseño, con una equidistancia entre curvas de nivel de 1.00 m. Se ubican los buzones de acuerdo a los criterios indicados en el ítem 9.2.3, para luego asignarles una numeración correlativa, por tramos y de acuerdo a los tramos considerados, Jambién se indica el sentido del flujo en cada tramo de tuberías. 158

C apítulo 9

Sistem a de A lcantarillado Sanitario

Se determina la cota rasante del buzón o cota del terreno por interpolación, considerando el nivel del pavimento. -

Se mide las distancias de buzón a buzón Se determina las áreas de influencia-de cada tramo que conforman la red de distribución a la derecha e izquierda del eje del tramo. Con los datos anteriores se forma un cuadro de datos iniciales de campo indicando los tramos que corresponden a cada calle, las cuales van numerados o indicando el nombre propio de la respectiva calle! Se elabora un cuadro de cálculo dé caudales dé diseño teniendo como datos las áreas de influencia, longitud del tramo y la densidad futura:

Caudal dom estico: Qd =

FG. P

Donde: Qd= caudal domésticos P = N° de personas en tramo

P= (Densidad futura)( Area influencia por tramo) Densidad futura = Pf / Ai Pf = población futura (hab) Ai = Area de influencia total (he)

FG = factor de gasto por habitante FG = 80% Qd/ Pa ' Qd= Caudal de máxima demanda (l/s) Pa= población actual Caudal de infiltración: Qinf - col = (20000lt/dia/km) L / 86400 Qinf - buz = (380lt/dia/buzón) B / 86400 Caudal por lluvia: Qlluvia - 0.022 E A P Luego tenemos: QTramo = Qd + Qinf - Col + Qinf -b u z ó n + Qlluvia

159

Sistema de AlcantarilJado

R icardo N arváez Aranda

CUADRO N° 9.5 CÁLCULO DEL CAUDAL DE DISEÑO POR TRAMO CAUDALES DÉ APORTE AREA L N° N° POR 'r.RAMO .... Q q ; inf inf Q Q (m2) (m) Hab. BUZON dom • colect . buzón -lluvia (l/s) (l/s) (l/s) (l/s)

TRAMO

i- j

Q diseño (l/s)

Calle 1 01 02 02 03 03 04 Calle 2 04 05 05 06 Calle 3 06 07 07 08 - Luego se

elabora un cuadro de cálculos para el

diseño de la red de

alcantarillado considerando las cotas de terreno de cada buzón, las mismas que se consideran como cotas de tapa de buzón que será el nivel del pavimento según sea el caso de la zona en estudio; con lo cual se calcula las pendientes topográficas. - Haciendo uso de las longitudes de cada tramo (entre buzón y buzón), se calcula las pendientes permisibles que son aquellas que van a permitir que las velocidades dél flujo estén comprendidas en el rango que recomienda el R.N.C. - En lo .posible se tratará de. evitar tener buzones con profundidades mayores a 3.00m, debido a que esto elevaría el costo del proyecto por tener que construirlo de concreto armado.

.

_

.

9.11 C a lc u lo h id rá u lic o Para el cálculo hidráulico de la red de alcantarillado se hará uso de la expresión de Manning:

„ , , Caudal:

Velocidad 160

A R% S^2 O - -------------n

:

'

R% s V = ------— n

r

Sistem a de A lcantarillado Sanitario

C apítulo 9

Luego para tubos que funcionan a sección llena, la velocidad y el caudal tienen la siguiente expresión: A = área = tt * D2/4

.

P = perímetro mojado'= tt*D R = radio hidráulico = A / P = D7 4 ; ñ = coeficiente de rugosidad-= 0.013 (tubería de concreto) 8/3

*

1/2

QLL = 23.97580521 * D * S

2/3

1/2

VLL = 30.52694331 * D * S

Donde: D = diámetro, m

:

S = pendiente, m /m

Las tuberías, según recomendaciones del RNC deben ser diseñadas para la conducción del caudal máximo con una altura de flujo de 75% del diámetro de la tubería. Para realizar el cálculo hidráulico haremos uso de la tabla de los elementos proporcionales y el procedimiento, a seguir es el siguiente:

-

.......

1. Se determina la pendiente más convéniente-a utilizar en cada tramo, así como también el diámetro de la tubería.

•

2. Conociendo la pendiente y el diámetro, se calcula el caudal y la velocidad a tubo lleno QLL y VLL; usando las expresiones ‘(t) y (II) respectivamente. 3. Conociendo el caudal parcial del tramo ( caudal aguas arriba + contribución del tramo) Qp , calculamos la relación Qp / QLL 4. Con la relación de gastos hallada en el paso anterior se ingresa a la tabla de elementos proporcionales y se verifica la relación Y/D, si esta relación es mayor de 0.75 se adopta un diámetro comercial inmediato superior y se repite el proceso anterior; pero si la relación es menor o igual a 0.75, en la misma tabla se obtiene la relación entre las velocidades a tubo parcialmente lleno y a tubo lleno VP / VLL. 161

Sistema de A lcantarillado

R icardo N arváez Aranda

5. Con la relación de velocidad VP / VLL. hallada en el paso anterior procedemos a calcular la velocidad real, multiplicándolo por VLL calculado el paso 2. Esta velocidad real debe tener comprendida dentro de los limites de la velocidad máxima y mínima establecida por el RNC

que son de 3.0m/s y 0.6m/s respectivamente para el

caso de tubería de concreto. Solamente se aceptara velocidades menores a las mínimas en los 300 metros iniciales de cada colector, siempre y cuando estén diseñado con pendientes mayores o iguales al 10 mil.

9.12 U b ic a c ió n de tu b e ría s Se tomarán las recomendaciones dadas por el RNC y que se detallan a continuación: -

En las calles de 24m de ancho o menos se proyectará una línea de alcantarillado, de preferencia en el eje de la calle. La distancia entre la línea de propiedad y el plano vertical tangente al tubo deberá ser 1.50 m como mínimo.

-

Los colectores se proyectarán a una profundidad mínima tal que asegure el drenaje de todos los lotes que den frente a la calle, considerando que por lo menos las 2/3 parte de cada lote en profundidad, puedan descargar por gravedad, partiendo de 0.30 m por debajo del nivel del terreno y con una. línea de conexión predial al colector de 15 por mil de pendiente mínima. Las pendientes mínimas de diseño de acuerdo a los diámetros serán aquellas que satisfagan la velocidad mínima de 0.60m/s con el caudal de diseño.

9.13 C o n e x ió n p re d ia l Esta conexión es la que permite la evacuación de las aguas servidas de los lotes hacia la red de alcantarillado y estarán ubicadas a una distancia entre 1.2 0 m y 2.00 m de la línea de propiedad, izquierda o derecha.

El diámetro mínima para esta

conexión será de 100mm (4”) con una pendiente mínima de 15 por mil.

Para llevar a cabo esta conexión se contará además de. la tubería, una caja de registro y un elemento de empalme que permita la descarga del flujo en caída libre sobre la clave del tubo colector.

162

Capítulo 10 Sistema de Alcantarillado Coridomiiíial

10.1 S is te m a C o n d o m in ia l El modelo condominial promueve cambios en la planificación e implantación del sistema de alcantarillado destacándose innovaciones tanto en los aspectos sociales como técnicos.' El objetivo principal de este sistema es dotar de los servicios de alcantarillado a las poblaciones con menores recursos económicos en nuestro país, con una solución de bajo costo que integra una tecnología apropiada con participación activa de la comunidad.

El nombre

“condominial"

viene del

carácter participativo

de

la comunidad,

constituyéndose el conjunto de lotes en una unidad de atención llamada condominio y no así cada lote como una unidad de atención, como se define en el sistema convencional. Desde el punto de vista técnico, el sistema condominial utiliza una nueva forma en el trazado de redes, que permite ahorros en longitud, diámetros y excavación de zanjas. Al contrario del sistema convencional, el sistema condominial no ejecuta conexiones individuales de cada vivienda a un colector principal, más bien recolecta aguas residuales de un conjunto de edificaciones descargando a la red pública en un único puntó.

El condominio constituye la unidad básica de la participación, decisión y atención del sistema, éste es decidido y 'organizado por la población a través de un pacto formal de la comunidad. Para el mantenimiento del sistema, la responsabilidad es

Sistema de A basrecim ieno de agua y A lcantarillado

R icardo Narváez

compartida entre-usuarios (ramales condominiales) y la Empresa administradora (redes públicas), a diferencia de. lo que ocurre en el sistema convencional.

En las siguientes figuras 10.1 y 10.2 se pueden apreciar las diferencias que existen entre el sistema de alcantarillado convencional y el sistema condominial.

FIGURA 10.1 SISTEMA CONVENCIONAL

FIGURA 10.2 SISTEMAS,CONDOMINIALES

4

OCN-LHTO CE LOTES E3 IK USJ>flO

Y

Red pública

Romal

condomíniQl

*

_

Buzonetas

(^ B u z o n e s

10.2 Componentes del sistema Los componentes del sistema concominial se muestran en la figura 9.3 : FIGURA 10.3 COMPONENTES DEL SISTEMA CONDOMINIAL

164

C a p ítu lo LO

S iste m a de A lc a n ta r illa d o C o n d o m in ia l

10.2.1 R a m a l c o n d o m in ia l Conjunto de tuberías y cámaras de inspección condominiales ubicadas en las veredas o en el interior de los lotes, dependiendo del tipo de Yamal adoptado. ‘

Tipos de Ramal C ondom inial En lo que se refiere a ramales condominiales hay 3 formas de trazados, el cual es decidido por los mismos beneficiarios. Entre estos tenemos:

Ramal p o r frente de lotes (de jardín).- Ubicado en la parte dé frente de los terrenos, dentro de los lotes, en el espacio cerca del límite con la vereda.

Ramal por el fo n d o de lotes.-Recorre las áreas internas libres disponibles en la parte de atrás de los lotes, es recomendado en áreas cuyos terrenos y/o instalaciones sanitarias existentes de las viviendas drenen hacia el fondo y, cuando haya espacio líbre suficiente para el paso de la tubería.-

.

Ramal por las veredas.-Localizado en las aceras, recorriendo los lados de una manzana típica, sémejante al del alcantarillado convencional. Se destinan a los usuarios qüe no habitan y en las manzanas donde las construcciones ocupan toda el área de los lotes, impidiendo la construcción de los ramales internos.

FIGURA 10.4 TIPOS DE RAMALES CONDOMINIALES

R o m o l f r e n t * d a lo t»

R o m o l f e n d o d f I o ta

R om o» p a r lo s w r « d a »

165

Sistema de Abasrecim ieno de agua y A lcantarillado

R icardo Narváez

10 .2.2Red principal.

•

Formada por* las redes que se ubican en la vía pública y recolectan las aguas servidas de los ramales condominiales, las cuales son puntuales y hechas a través de una cámara de inspección principal.

.

..

10.2.3 Instalación,intra-domiciliaria Esta se denomina “caja .desgrasadora", que viene a ser una pequeña cámara al interipr del lote;, cuya función es retener los residuos ¡sólidos y grasas provenientes del lavaplatos^ duciia y lavandería. Ésta'funciona por rebose descargando solo la parte líquida hacia el ramal condominial.

10.2.4 E d u c a c ió n s a n ita ria , té c n ic a y a m b ie n ta l Referido a -capacitar a la población mediante talleres, temas tales cómo: salud, higiene, funcionamiento y uso correcto del sistema, mantenimiento, medio ambiente, etc.

.

'

■

10.3 Trazado de redes En el sistema condominial la red de alcantarilladó'se divide en dos partes: la publica, que del punto: de vista de ingeniería es constituida por la red pública-‘y los ramales condominiales.

-

•

: r

10.3.1 Red p ú b lic a La red pública es el conjunto de tuberías que reciben las aguas residuales de ramales condominiales o conexiones domiciliarias. El trazado dé las redes públicas se realizará a partir de los puntos de cota más elevada (arranqúe) hacia el punto de cota más baja (descarga) y siguiendo el drenaje natural del terreno. Se deberá analizará las alternativas de trazado para obtener la menor extensión de red y conectar todas las manzanas. La red pública puede ser ubicada en el centro de calle o‘ avenida. Sin embargo, de preferencia será ubicada en las áreas más protegidas del tránsito vehicular, utilizando, siempre que sea posible, las aceras, los parques y- los jardines existentes.

10.3.2 Ramal condominial Es la tubería que recolecta las aguas residuales de un cohjuntó de edificaciones dentro de una malla urbana, sea una manzana o una cuadra con descarga a la red pública en un punto. 166

C a p ítu lo 10

S is te m a de A lc a n ta r illa d o C o n d o m in ia l

Según el drenaje natural del terreno, se definirá la ubicación más probable de! ramal condominial que atenderá cada manzana, conectando todas las edificaciones hasta un punto de la red pública.

10.4

-

:

■

• ;

C á m a ra s de in s p e c c ió n

Las cámaras de inspección son elementos que forman parte de la red de alcantarillado y tienen el objetivo principal de permitir el acceso á la tubería para sumantenimiento en caso de atoros. Desde el puntó de vista operacional, las'cámarasde inspección pueden servir para el ingreso de elementos qué provocan obstrucción' en la red. Se recomienda que se utilicen el número mínimo necesario de cámaras de inspección.

En el Perú, es común la ocurrencia de atoros del sistema causados por sólidos de grandes; dimensiones (basura, animales muertos, etc.) que han sido arrojados a través de las cámaras de inspección. De esta manera, en el diseño, el número de elementos de inspección debe ser el mínimo efectivamente requerido por el sistema.

10.4.1 T ip o s de c á m a ra s de in s p e c c ió n Se dividen en dos tipos principales; el primero engloba los elementos de inspección utilizados en los ramales condóminiales, las llamadas cajas de inspección o las buzonetas, y el segundo engloba los elementos de inspección de las redes públicas, llamadas cámaras de inspección o buzones.

t-

En el sistema condominial se logra una gran reducción de los costos involucrados con los elementos de inspección, toda vez que la mayoría de las tuberías son ramales condominiales y los dispositivos de inspección están localizados en áreas protegidas y ubicados en tramos de pequeña profundidad.

En el diseño de un sistema condominial, se debe prever un elemento de inspección en cada una de las siguientes situaciones: En el inicio de todo colector. Siempre que el tramo de un ramal condominial tiene 60 metros de extensión. Siempre que el tramo de una red pública tiene 100 metros de extensión. En la conexión de la instalación intra-domiciliaria en el ramal condominial. En cualquier punto donde haya empalme de colectores

S istem ade Abasrecim ieno de agua y A lcantarillado

R icardo N arváez

En un sistema condominial se usan normalmente los siguientes elementos de inspección, de acuerdo con la profundidad de la tubería..

CUADRO 10.1 DIMENCIONES RECOMENDADAS DE CAMARAS DE INSPECCION Profundidad de la tubería (solera) (m)

Tipos de cámara

Diámetro (m)

menor a 0,90 Caja (Cl 40)' ‘ ' • 0,40 De 0,90 a 1,20 Caja (Cl 60) 0,60 mayor a 1,20 Caja (Cl 120) 1,20 Fuente: Guía de implantación de la tecnología condominial.

10.5

Tipo de red 'Ramal Ramal Red pública

Conexiones al ramal condominial

En el sistema condominial las conexiones de las viviendas se hacen de dos maneras dependiendo la ubicación, la primera cuando el ramal condominial se localiza dentro del lote y la segunda, cuando el ramal condominial pasa por la vereda, fuera del lote.

10.5.1 Conexiones dentro del lote. Si el ramal condominial se encuentra dentro del lote, la conexión de la vivienda se realizará mediante una caja de inspección, usualmente del tipo Cl 40 de concreto, según se indica en el gráfico N° 2.4.

10.5.2 Conexiones fuera del lote. Si el ramal condominial se encuentra fuera del lote (acera), la conexión de la vivienda se realizará mediante un accesorio de PVC tipo “T” , “Y" o una “Silleta". El accesorio de PVC será conectado mediante una tubería corta a la caja de inspección tipo Cl 40. Se debe procurar evitar la instalación fuera del lote de la cámara de inspección de la conexión, puesto que estará en un lugar mas protegido cuando este dentro del lote.

168

C a p ítu lo 10

S iste m a de A lc a n ta r illa d o C o n d o m in ia l

FIGURA 10.5 CONEXIÓN EN RAMAL CONDOMINIAL INTERNO

FIGURA 10.6 CONEXIÓN EN RAMAL CONDOMINIAL EN ACERA EN “ Y”

FIGURA 10.7 CONEXIÓN EN RAMAL CONDOMINIAL EN ACERA EN “ T”

' 10.6

Ventajas

10.6.1 Economía En el sistema condominial se puede lograr mayores ahorros debido principalmente a la menor cantidad y menor diámetro de tubería y a la menor profundidad de excavación, que en el costo total significa una reducción entre 20% y 25% con

169

Sistema de A basrecim ieno de agua y A lcantarillado

Ricardo Narváez

respecto al sistema convencional, si a esto se suma la participación comunitaria, el ahorro del costo total puede llegar a duplicarse hasta 40% y 45%.

10.6.2 Ubicaciones de las redes En el sistema condominial gran parte de las redes y los ramales se encuentran instalados en áreas protegidas, con lo que se reduce una de las principales causas de los problemas operacionales del sistema convencional, que es el mal uso de las redes por la población, principalmente en los buzones, que son objeto de depredaciones, conexiones indebidas de aguas pluviales, disposición irregular de residuos sólidos, etc. La probabilidad de que esto ocurra en un sistema condominial es menor ya que las redes públicas representan sólo el 35% de la longitud de las redes.

10.6.3 Mantenimiento Las redes del ramal condominial son ejecutadas a poca profundidad y la caja de interconexión de la conexión domiciliaria es la propia caja de paso del ramal. Gracias a la existencia de esta caja en cada lote la facilidad de limpieza-de los ramales es;tmuy superior.a la de la red convencional.. Por lo que se pueden utilizar hidrojets portátiles para el;mantenimiento de los ramales condominiales. Los problemas que ocurren en los ramales quedan restringidos al condominio involucrado, lo que facilita su identificación, diagnóstico y solución.

.

•

10.6.4 Participación comunitaria Es importante porque los beneficiarios participan en la construcción del sistema, y para ello reciben capacitación técnica, sanitaria y ambiental, permitiendo -un mejor uso del sistema de alcantarillado. Por otro lado, si existen problemas por el mal uso, estos serán del interés de todos aquellos que estén conectados al mismo ramal.

10.7 PARAMETROS DE DISEÑO Los parámetros de diseño definen el tamaño del sistema a ser construido y deberán ser establecidos de acuerdo con la-demanda real por ser el servicio, ya que tienen incidencia directa en los sistemas instalados.

170

costos de inversión, operación y mantenimiento de los

\

C a p ítu lo 10

S is te m a de A lc a n t a r illa d o C o n d o m in ia l

9.7.1 P e rio d o de d is e ñ o El periodo de diseño permite definir el tamaño dél proyectó en base a la población á ser atendida al final del mismo."‘Si el periodo de un proyecto es corto, iniciaimente, el' sistema requerirá una inversión menor, pero luego exigirá inversiones sucesivas de acuerdo con el crecimiento de la población. Por otro lado, la ejecución dé un proyecto con un periodo-de diseño mayor, requerirá'mayor inversión iniciál, pero luego no necesitara de nuevas inversiones por un buen tiempo.

~

Cuando sé diseña un sistema condominial en áreas perfurbanas, donde la demanda " es niayor que los recursos disponibles, será una buena estfategia acortár él periodo ’ del proyecto. De esta manera, se-consiguen costos mas bajos’ q permiten atender de inmediato a una población mayor.

'

'

£•' 1'

El periodo de diseño de un sistema condominial deberá ser optimizado en el cáso de zonas con bajos ingresos y donde la demanda por servicios sea mayor qué los recursos económicos disponibles, para evitar períodos muy largos y máximizar la cobertura a mediano pla¿o.

10.7.2 P o b la c ió n Se deberá realizar el estudio demográfico basado en datos censales é información local y regional para' el cálculo de la población a ser atendida'por el proyecto. Habrá que determinar la población y las densidades poblacionáles de acuerdo con las ' zonas de ocupación homogénea, siguiéndo las Categorías residencial (unifamiliar o multifamiliar), comercial, industrial, publica, para el inicio y final del proyecto. Para obtener una buena aproximación entre el 'parámetro hacer utilizado en el diseño y la demanda futura de la población del proyecto, serán necesarios, por lo menos los siguientes estudios.

:

!

El primer estudio pondrá énfasis en la población futura resultante de la’ ocupación total del área de acuerdo al plan maestro de desarrollo urbano, o plan regulador de uso de suelo establecido por el municipio, q determina Ja* categoría de vivienda hacer construida en.la zona.:El resultado será la población-de saturación- producto, del número, de viviendas, por la densidad de ocupación prevista; pero sin^referencia . temporal.

•

;

-

,

.

El segundo estudio se relaciona con el crecimiento de la población en función del tiempo, a partir de la población verificada al inicio mediante datos censales en el

171

Sistema de A basrecim ieno de agua y A lcantarillado

R icardo Narváez

área de proyecto y tasas de crecimiento anual^sin considerar las limitaciones del plan regulador. Es importante tener cierta precaución en utilizar las tasas promedio de crecimiento de la ciudad como un todo;, ya,que normalmente se relacionan a una expansión horizontal con aumento del, área urbana. El crecimiento vertical del á rea. de proyecto normalmente es mas bajo.

4 ,

.

,

Mayormente; se observa que la población calculada, según tasas de crecimiento es mayor que la resultante del plan regulador y.uso de.suelo. Por ese motivo se deberá definir la opción mas probable, además, se tendrá q tomar en cuenta el numero de habitantes por vivienda y la densidad de ocupación^ generalmente, tienen relación directa .con, el nivel de ingresos de la comunidad. En áreas de altos ingresos -el numero medio de personas en una vivienda puede ser de 3.5 hab. /vivienda. En áreas de bajos ingresos este número puede llegar a ser tan alto como 10 hab. /vivienda. Esto se debe a que comúnmente en. las áreas de bajos recursos de la ciudad una sola vivienda .puede estar habitada por más de una familia. Los-valores siguientes pueden ser considerados como una primera referencia de la densidad de ocupación.

^

.

CUADRO N° 10.2 DENSIDAD DE OCUPACION Tipo de zona según nivel de ingresos

Densidad de ocupación (h a b/vivienda)

Alto

4

Medio

6

Bajo 10 Fuente: Guía de implantación dé la tecnología condominial

10.7.3 Dotación de agua potable El volumen de descarga de aguas residuales depende directamente del consumo de agua en la zona. Por esto para diseñar el sistema de alcantarillado, habrá que definir la dotación de agua potable por habitante. La dotación, a su vez, dependerá del clima, el tamaño de la población, características económicas, culturales, información sobre el consumo medido en la zona, alguna dé las cuales describimos a continuación.

Población futura: Se calcula con de acuerdo al periodo de diseño del proyecto, el numero de lotes y al numero de personas por vivienda, donde la población de diseño es el producto de estas.

C a p ítu lo 10

S iste m a de A lc a n ta r illa d o C o n d o m in ia l

Im portancia de la ciudad: Ciudades grandes o importantes tienen consumos por habitantes mayores que ciudades pequeñas.

Característica

de

la

población:

-

Depende

1

- -

del

nivel

-••••

económico

de

los

consumidores. El consumo per cápita es diferente en barrios que en distritos. Y' en los lugares residenciales son mayores que en los pobres.

. . . . > =.

C ondiciones clim á tica s: El consumo es: mayor el lugares donde el clima es calurosos y secos que en sitios donde el clima és frío'y húm edo/

- .,

Coeficiente de re torno (c)

-

Se ha estimado, mediante estudios estadísticos, el porcentaje de agua abastecida que llega a la red de alcantarillado. Este coeficiente oscila entre el 60% y 80% dé la dotación de agua potable.

^ !

"

• '

•

C uantificación de caudales de aporte Los caudales de aporte que concurren a las redes dé alcantarillado sanitario/para él inicio y final del periodo de diseño, serán determinados con los mismos criterios de abastecimiento de agua, considerando los coeficientes de retorno respectivos Caudal Máximo Diario: , O x P x / H x ( l - Ko)xCr . Orna = ----------- -----— ----x C • 86400

;

Donde: D=

Dotación (l/hab/d)

P=

Población

C=

Coeficiente de Retorno

K1 =

Coef de máx. demanda diaria

. ;

Caudal Máximo Horario: ” , D x Á'l x A'2x P „ Qmh =. ---- -— —— xC 86400 ' ¡

^ ' Donde: D=

Dotación (l/hab/d)

P=

Población

C=

Coeficiente de Retorno

K1 = ... Coef.de máx. demanda diaria . K2 =

. ,

•

.

Coef de máx. demanda horaria

173

Sistema de A basrecim ieno de agua y A lcantarillado

Caudal Máximo ( Qmax )

R icardo Narváez

.

Se considera solo el mayor caudal entre el caudal máximo diario y el caudal máximo horario. Caudal por in filtra c ió n ( Q i ) El caudal de infiltración se determinará considerando los siguientes aspectos: .. - Altura del nivel freático sobre el fondo del colector. - Permeabilidad del suelo y cantidad de precipitación anual. - Dimensiones, estado y tipo de alcantarillas,, y cuidado en la construcción de cámaras de inspección. - Material de la tubería y tipo de unión.

Caudal por conexiones erradas ( Qe ): Se deben considerar los caudales provenientes de.malas conexiones o conexiones erradas, así como conexiones clandestinas de patios domiciliarios que incorporan al sistema aguas pluviales. El caudal por.conexiones erradas puede ser de 5% al 1 0 % del caudal máximo horario de aguas.residuales.

Caudal para o tros fines: Puede ser caudales públicos o comerciales según la actividad a desarrollarse. CUADRO 10.3 CAUDALES PÁRÁ OTROS FINES Dotación,

Qp=dot x

Q=0,8 x

Lt/seg

klxk2

Qp

Centro Educativo

0.550

1.97

1,576

Cine

0.040

0.14

0 .112

Auditorio

0.040

0.14

0 .112

Mercado

0.170

0.61

0.488

0.006

0.02

0.016

Parroquia

0.006

0.02

0.016

Parques

0.400

1.43

1.144

Establecimiento

Puesto policial

-

Fuente: Manual de Hidráulica de Acevedo

C a p ítu lo 10

S iste m a do A lc a n ta r illa d o C o n d o m in ia l

10.7.4 C a u d a l de d is e ñ o : El dimensionamiento de los conductos deberá atender los máximoá'caudáles de descarga según la siguiente expresión:

Qd = Qmcix + Qi + Qe Donde: Qd

=

Caudal de diseño (l/s)

Qmax = Caudal máximo horario Qi

Caudal por infiltración:

Qe • = Caudal por conexiones erradas

'

'

10.8 D ise ñ o h id rá u lic o de! s is te m a 10.8.1 C á lc u lo h id rá u lic o El cálculo hidráulico propuesto para los sistemas condominiales es para tuberías que trabajan con sección parcialmente llena. El cálculo hidráulico para los sistemas condominiales deberá seguir las recomendaciones establecidas en la norma técnica SENCICO S070 Redes de Aguas Residuales, para rédés funcionando en lámina libre, considerando en e l diseño la relación éntre los caudales esperados para el inicio y final de proyecto, como presentado a continuación.

10.8.2 F ó rm u la s para d is e ñ o El procedimiento de cálculo considera el escurrimiento en el régimen permanente y uniforme. La fórmula empírica de Manning es la más práctica para el diseño de canales abiertos, y actualmente utilizada para’ conductos cerrados, tiene la siguiente expresión: Velocidad (m/s): ,

1 V= - R 'S 2

Donde:

' n = Coeficiente de rugosidad (adimensional) •

R = Radio hidráulico (m) S = Pendiente (m/m)

Radio hidráulico

Pm Donde:

Am = Área de la sección mojada (m2) Pm = Perímetro^de la sección mojada (m)

Sistema de Abasrecim ieno de agua y A lcantarillado

R icardo N arváez

10.8.3 Para tu b e ría s c o n s e c c ió n llena Radio hidráulico:.

4 Velocidad (m/s): 0 397 - y = ± £ l L D 3S '-

Caudal (m3/s): Q = VA

0 3 12

- -

n

Donde: D = diámetro A = área de la sección circular (m2)

10.8.4 Para tu b e ría s c o n s e c c ió n p a rc ia lm e n te lle n a , El ángulo central 6 ° (en grado sexagesimal): - ..

í

n U^

0 ° = 2 a r eos

Donde: h = altura de lamina de agua (m)

Radio hidráulico: ’

"

R - P ..(\ •

'

_ 36-0 s e n ü ° '

" 4*V

2k0°

,

Velocidad: 2 V

0.397D

1V

360sen 9 2 k Q°

y

Caudal: 8

Q = --------- /J i- -.——- (2x0° -360 s e r r á i s 1 7257.15.w(2^°)i

176

C a p ítu lo LO

S iste m a de A lc a n ta r illa d o C o n d o m in ia l

10.9 C rite rio de d is e ñ o 10.9.1 C rite rio de la Fuerza T ra c tiv a La pendiente del colector será calculada con el criterio de la fuerza tractiva, según la siguiente expresión:

-

S

=

7R

.

.

.

.

.

.

.

Donde: S = pendiente de la tubería (m/m) ,t= fuerza tractiva o tensión de arrastre (kg/m2) V =

peso específico del agua (kg/m3)

R = radio hidráulico (m) Pendiente tuberías con sección parcialmente llena: S

=

------- -- ------ - -------------- _

y

D ( , 360sen6°\ 1 4 ^ 2n0° J

—

-

-- -----------------

.

10.9.2 P e n d ie n te M ín im a El proyecto de colectores de alcantarillado sanitario tomará en cuenta las condiciones de flujo críticas que pufeden presentarse debido a los'bajos caudales que se producen durante los primeros años después de su construcción. Se deberá garantizar que las pendientes no sean demasiado bajas como para producir sedimentación, ocasionando costos de mantenimiento elevados, antes de alcanzar los caudales de proyecto.

Para calcular la pendiente mínima y garantizar la auto-limpieza desde el inicio del funcionamiento del sistema, se recomienda adoptar el criterio que establece una relación de tirantes a sección parcialmente llena del 20% al 25%. Para estas condiciones se verifica que el valor promedio actual del caudal de aporte es de 1 0 % a 15% de la capacidad del tubo.

Qn

= 0.15

.

; \ ' ■'

Donde: Qp = caudal promedio actual Qll = caudal a sección llena Otras relaciones de tirante y'condiciones de flujo'diferentes deberán ser justificadas, con información real de caudales de aporte actual y proyecciones futuras.

177

Sistema de A basrecim ieno de agua y. A lcantarillado

R icardo Narváez

10.9.3 Pendiente M ínim a recom endada Para las condiciones de flujo: ^ ' = 0 .l5 = > — = 0.263 Qn

D

El ángulo central (grado sexagesimal): 0o — 2areos 1 -

2h

= 123.41'

D

o

_

mm

m in

YRn

D

360.ye/?l 23.41°' 2*123.41'° y

(m/m)

(m /m )

yRp

70.153 ID

Para el criterio establecido y asumiendo que Qp/QII=0.15 ; R/D=0.1531 ; r inin=0.10 Kg/m2 ; ^=1000 kg/m3 ; n=0,013 la pendiente mínima recomendada para el diseño de sistemas de alcantarillado sanitario se presenta en el cuadro siguiente: CUADRO 10.5 PENDIENTES Y VELOCIDADES Diámetro M 0 .10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 178

Pendiente Mínima (Smin) %o 6.53 4.35 3.27 2.61 2.18 1.87 1.63 1.45 1.31 1.19 1.09 1.00 0.93 0.87 0.82 0.77 0.73 0.69 '0.65

Capacidad Plena Velocidad Caudal m/s sl/s 0,53 ' 4.20: ■ 0.57 :1 0.00 0.60 18.70 0.62 30.40 0.64 45.10 0.65 63.00 0.67 84.20 108.60 0.68 0.70 136.50 0.71 167.80 0.72 202.60 0.73 240.90 0.74 282.90 0.74 328.50 0.75 377.80 0.76 430.90 0.77 487.70 548.30 0.77 612.70 0.78

C a p ítu lo 10

S iste m a de A lc a n ta r illa d o C o n d o m in ia l

10.9.4 P e n d ie n te s M ín im a para d ife re n te s c o n d ic io n e s de flu jo De acuerdo a las condiciones locales (déñsidad, topografía y caudales de aporte presentes y futuros), y al criterio del proyectista se pódrá establecer la pendiente mínima, velocidad y caudal a tubo lleno, según las recomendaciones del cuadro siguiente:

CUADRO 10.6 PENDIENTES PARA DIFERENTES TIPOS DE FLUJO Pendiente Mínima

Criterios de Diseño Q/QII

h/D

R/D

Ft (kg/cm2)

Smin (miles)

0.10

0.22

0.1291

0.1

0.7746 DA-1

0.10

0.22

0.1291

0.15

1.1618 DA-1

0.15

0.26

0.1531

0.1

0.6531 DA-1

0.15

0.26

0.1531

0.15

0.9797 DA-1

0.25

0.34

0.1887

0.1

0.5300 DA-1

0.25

0.34

0.1887 ,

. 0.15

0.795 DA-1

Flujo o capacidad Plena VII (m/s)

Qll (m3/s)

0.8496 DA0.1667 1.0405 DA0.1667 0.7801 DA0.1667 0.9555 DA0.1667 0.7028 DA0 1667 0.8607 DA0.1667

0.6673 DA2.1667 0.8172 DA2.1667 ■ 0.6172 DA2.1667 0.7504 . DA2.1667 0.552 DA2.1667 0.676 DA2.1667

10.9.5 C o e fic ie n te de ru g o s id a d El coeficiente de rugosidad “n"de la fómula de Manning será de 0,013 en redes de alcantarillado sanitario, para cualquier tipo de material de tubería...........

179

Capítulo 11 EP A N ET

11.1 In tro d u c c ió n Epanet es un software de Simulación de Redes Hidráulicas más utilizado en el mundo. EPANET es un programa de cálculo destinado a analizar el comportamiento hidráulico y de la calidad dél agua en redes de distribución de agua a presión. Ha sido desarrollado por el Laboratorio Nacional de Investigación para la Prevención de Riesgos (NRMRL) de la Agencia para la Protección del Medio Ambiente de EEUU (USEPA).

La versión española de EPANET 2.0 ha sido traducida por el Prof. Fernando Martínez Alzamora, responsable del grupo Redes Hidráulicas y Sistemas a Presión (REDHISP) del Instituto de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente de la Universidad Politécnica de Valencia (España), con la colaboración del doctorando Hugo Bartolín Ayala. El trabajo ha sido financiado por Aguas de Valencia, S.A., y al igual que la versión inglesa, se ofrece como un producto de dominio público

La última versión 2.00.10 de Epanet en español ha significado una revisión a fondo de la versión anterior 2.00.08, que afecta a todos los componentes de la aplicación. Además incorpora algunas mejoras sobre la correspondiente versión inglesa, como son:

Sistem a de abastecim iento de A g u a y A lcantarillado

>

Ricardo Narváez

Todas las unidades se han adaptado por defecto al Sistema Internacional (SI). Ello afecta a las unidades de caudal (LPS), fórmula de pérdidas (D-W), valores por defecto, rangos de leyendas, ejemplo del tutorial e incluso al fichero Red1_SI.net

>

Todos, los valores numéricos pueden ahora introducirse y visualizarse utilizando la coma como separador decimal. En realidad, el separador decimal es tomado automáticamente de la Configuración Internacional de Windows.

>

La versión española puede ejecutarse desde un servidor de red y en S'.O. con restricción de permisos a usuarios, como Windows 2000 Prof. En caso de necesidad, los ficheros auxiliares de cálculo y el fihero .¡ni se reubican automáticamente en un directorio local accesible al usuario.

A pesar de las diferencias introducidas, los ficheros construidos con la versión española siguen siendo totalmente compatibles con la yersión original y pueden ejecutarse desde élla. Asimismo, cualquier fichero construido con la versión inglesa es accesible desde la española.

Ejecutar el EPANET instalación

El sistema EPANET Guía

Ejemplos

182

C apitulo I I

EPANET

E je m p lo E P A N E T 01 1 Esquema hidráulico de la red R1

2. Datos iniciales

Estado de los N udos de la Red Cota

Demanda Base

ID Nudo

m

LPS

Nudo J1

42.55

0

Nudo J2

41.60

9.43

Nudo J3

41.81

5.35

Nudo J4

40.51

11.28

Nudo J5'

40.88

8.14

Embalse R1

62.70

183

•-) i Sistem a de abastecim iento de A g u a y A lcantarillado

R icardo N árváéz

Estado de las Líneas de la Red Longitud

Diámetro

m

mm

Tubería P1

200

150

140

Tubería P2

300

150

140

Tubería P3

424.60

150::

140

Tubería P4

300

100

140

Tubería P5

300

100

140

Tubería P6

300

100

140 •

Tubería P7

300

100

140

ID Línea

Rugos

2. Resultados de la sim ula ció n hidráulica 2.3 Resultados de la Simulación hidráulica ****** ****************************************************************

EPANET *

Análisis Hidráulico y de Calidad

* para Redes de Distribución de Agua ********************************************************************** Fichero Input: UPAO 01.net Tabla de Líneas y Nudos: ID Línea

Nudo Inicial

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7

R1 J1 J1 J3 J2 J5 J3

Nudo Final

Longitud m 200 300 424.60 300 300 300 300

J1 J2 J3 J2 J5 J4 J4

Diár mm 150 150 150 100 100 100 100

Resultados en los Nudos; ID Nudo J1 J2 J3 J4 J5 R1 184

Demanda LPS 0.00 9.43 5.35 11.28 8.14 -34.20

Altura m

58.21 56.00 56.01 51.21 51.36 . 62.70

Presión m 15.66 14.40 14.20 10.70 10.48 0.00

Calidad

0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Embalse

C apitulo 11

EPANET

Resultados en las Líneas: ID Línea P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7

Caudal Velocidad Pérdida Unit. Estado LPS m/s m/km 34.20 18.72 15.48 0.34 9.62 1.48 9.80

1.94 1.06 0.88 0.04 1.23 0.19 1.25

22.47 . 7.36 5.18 0.03 15.47 0.49 15.99

Abierta Abierta Abierta Abierta Abierta Abierta Abierta

2.1 Grafica del perfil de presiones pn

Perfil de Presiones

Distancia'

"

* -

t

*

• •

-;

2.2. Esquema h id rá u lico de presiones y perdidas de carga unitaria

185

f

Sistem a de abastecim iento de A g u a y A lcantarillado

R icardo N arváez

E je m p lo E P A N E T 02 1. Esquema h id rá u lico de la red

R1 M

0.00

3.10 1r P1 J1 19.39

P2

19.44

1.33

P3 r

i

pe

0.31

J4 22.12

P4

J2

P?

’

P5

0.87

i 0.41

P3

28.31

0.01

2. Datos iniciales 2.1 Estado de los nudos de la Red Cota Demanda Base (m) (Ips) ID Nudo 3490 0.569 Nudo J1

186

«.4 2

1.05

J5

0.34

J

Nudo J2

3495

0

Nudo J3

3465

0.637

Nudo J4

3485

0.47

Nudo J5

3480

1.019

Nudo J6

3470

0.405

Embalse R1

3520

J 3

EPANET

C apitulo I I

2.2 Estado de las líneas de la Red Longitud Diámetro ID Línea (mm) (m) 100 Tubería P1 50 100 37.5 Tubería P2 12 0 Tubería P3 37.5 100 Tubería P4 37.5 12 0 25 Tubería P5 Tubería P6 80 25 80 37.5 Tubería P7 80 25 Tubería P8

Rugosidad 140 140 140 140 140 140 140 140

2. R esultados de la sim ula ció n hidráulica 2.1 Gráfica del Perfil de presiones GÜ]

Presión (m)

Perfil de P re sio n e s

Distancia

2.3. Esquema h id rá u lico presiones y perdidas de carga R1

w á 0.00 1r

55.55

P1 P2

J1

50.55

10.39

’ r

J2 19.44

JO.23

95 .-40 18 'j'2

J4 t — 22.12

J

P4

\

P5

i

P6

—

-

P7

J5 26.81

P8

------- --------------0.01

J 38.81

187

Sistema de abastecim iento de A g u a y A-lcantariliado

R icardo Narváez

2.4 Resultados de la S im ulación hidráulica Tabla de Líneas y Nudos: ID Línea

Nudo Inicial

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8

R1 J2 J1 J2 J3 J2 J4 J6

Nudo Final J2 J1 J4 J3 J6 J5 J5 J5

Longitud m

Diámeti mm

100 100 120 100 120 80 80 80

50 37.5 37.5 37.5 25 25 37.5 25

Resultados en los Nudos: ID Nudo J1 J2 J3 J4 J5 J6 R1

Demanda LPS 0.57 0.00 0.64 0.47 1.0 2 0.41 -3.10

Altura m

3509.39 3514.44 3511.42 3507.12 3506.81 3506.81 3520.00

Presión m 19.39 19.44 46.42 2 2 .1 2 26.81 36.81 0.00

Calidad

0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Embalse

Resultados en las Líneas: ID Línea P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8

188

Caudal Velocidad Pérdida Unit. Estado LPSl m/s m/km 3.10 1.38 0.81 1.05 0.41 0.67 0.34 0.01

1.58 55:55 1.25 50.55 0.74 ; 18.92 0.95 30.23 0.84 38.40 1.37 95.40 3.83 0.31 0.01 0.01

Abierta Abierta Abierta Abierta Abierta Abierta Abierta Abierta

EPANET

C apitulo 1 I

__“j .••, ¿

E je m p lo E P A N E T 03 1. Esquema h id rá u lico de la red

J2

P3

J3

2. Datos iniciales 2.1 Estado de los nudos de la Red CotaID Nudo m Nudo J1 145 146 Nudo J2 144 Nudo J3 Nudo J4 143.80 Nudo J5 142 144.2 Nudo J6 Nudo J7 146.5 Nudo J8 146 Embalse R1 195.50 itado de los Lineas de la Red Longitud m ID Línea 360 Tubería P1 Tubería P2 2 10 Tubería P3 350 250 Tubería P4 400 Tubería P5 Tubería P6 360 345 * Tubería P7

Demanda Base LPS.' 20 23 15 21 16 20 12 20

Diámetro mm 250 200 200 150 200 200 150

Rugosidad 150 150 150 150 150 150 150 189

Sistema de abastecimiento de A g u a y A lcantarillado

Tubería Tubería Tubería Tubería

P8 P9 P10 P11

■-

540 400 370 390 ‘

R icardo N arváez

150 150 150 150

150 150 150 150

2. Resultados de la sim ula ció n hidráulica 2.1 Gráfica del Perfil de presiones r» l

Perfil de Presiones

2.3. Esquema h id rá u lico presiones y perdidas de carga

EPANET

Capitulo I I

2.4 Resultados de la S im ulación hidráulica Tabla de Líneas y Nudos: ID Línea

Nudo Inicial

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11

R1 J1 J2 J3 J1 J6 J5 J3 J4 J7 J5

Nudo Final

Longitud m 360 2 10 350 250 ■400 360 345 540 400 370 390

J1 J2 J3 J4 J6 J5 J4 J7 J7 J8 J8

Diámetro mm 250 200 . 200 150 200 200 150 150! 150 150 150

Resultados en los Nudos: ID Nudo J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8 R1

Demanda • LPS 20.00 23.00 15.00 2 1.0 0 16.00 20.00 12.00 20.00 147.00

Aitura m 186.70 182.99 180.09 178.64 179.26 181.44 178.33 177.95 195.50

Presión Calidad . m 41.70 36.99 36.09 34.84 37.26 37.24 31.83 31.95 0.00

0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Embalse

Resultados en las Líneas: ID Línea

Caudal Velocidad Pérdida Unit. Estado LPSi m/s m/km

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P'10 P11

147.00 68.55 45.55 17.62 58.45 38.45 9.35 12.92 5.97 6.89 13.11

2.99 2.18 1.45 1.00 1.86 1.2 2 0.53 0.73 0.34 0.39 0.74

24.46 17.65 8.28 5.79 13.14 6.05 1.79 3.26 0.78 1.02 3.35

Abierta Abierta Abierta Abierta Abierta Abierta Abierta Abierta. Abierta Abierta Abierta

191

Qué es EPANET EPANET es un programa de ordenador que realiza simulaciones en periodos prolongados del comportamiento hidráulico y de la calidad del agua en redes de suministro a presión. Una red puede estar constituida por tuberías, nudos (uniones de tuberías), bombas, válvulas y depósitos de almacenamiento o embalses. EPANET efectúa un seguimiento de la evolución de los caudales en las tuberías, las presiones en los nudos, los niveles en los depósitos, y la concentración de las especies químicas presentes en el agua, a lo largo del periodo de simulación discretizado en múltiples intervalos de tiempo. Además de la concentración de las distintas especies, puede también simular el tiempo de permanencia del agua én la red y su procedencia desde las diversas fuentes de suministro. EPANET se ha concebido como una herramienta de investigación para mejorar nuestro conocimiento sobre el avance y destino final de las diversas sustancias transportadas por el agua, mientras ésta discurre por la red de distribución. Entre sus diferentes aplicaciones puede citarse el diseño de programas de muestreo, la calibración de un modelo hidráulico, el análisis del cloro residual, o la evaluación de las dosis totales suministradas a un abonado. EPANET puede resultar también de ayuda para evaluar diferentes estrategias de gestión dirigidas a mejorar la calidad del agua a lo largo del sistema. Entre estas pueden citarse: •

alternar la toma de agua desde diversas fuentes de suministro

•

modificar el régimen de bombeo, o de llenado y vaciado de los depósitos

•

implantar estaciones de tratamiento secundarias, tales como estaciones de recloración o depósitos intermedios

•

establecer planes de limpieza y reposición de tuberías.

EPANET proporciona un entorno integrado bajo Windows, para la edición de los datos de entrada a la red, la realización de simulaciones hidráulicas y de la calidad del agua, y la visualización de resultados en una amplia variedad de formatos. Entre éstos se incluyen mapas de la red codificados por colores, tablas numéricas, gráficas de evolución y mapas de isolíneas.

Capacidades para la confección de Modelos Hidráulicos Dos de los requisitos fundamentales para poder construir con garantías un modelo de la calidad del agua son la potencia de cálculo y la precisión del modelo hidráulico utilizado. EPANET contiene un simulador hidráulico muy avanzado que ofrece las siguientes prestaciones: •

no existe límite en cuanto al tamaño de ¡a red que puede procesarse

•

las pérdidas de carga pueden calcularse mediante las fórmulas de HazenWilJiams, de Darcy-Weisbacii o de Chezy-Manning

•

contempla pérdidas menores en codos, accesorios, etc.

•

admite bombas de velocidad fija o variable

•

determina el consumo energético y sus costes

•

permite considerar varios tipos de válvulas, tales como válvulas de corte, de retención, y reguladoras de presión o caudal.

•

admite depósitos de geometría variable (esto es, cuyo diámetro varíe con el nivel)

•

permite considerar diferentes tipos de demanda en los nudos, cada uno con su propia curva de modútación en el tiempo

•

permite modelar tomas de agua cuyo caudal dependa de la presión (p.ej. rociadores)

•

admite leyes de control simples, basadas en el valor del nivelen los depósitos o en la hora prefijada por un temporizador, y leyes de control más complejas basadas en reglas lógicas.

Capacidades para la confección de Modelos de Calidad del Agua Además de la confección de modelos hidráulicos, EPANET ofrece las siguientes prestaciones para la confección de modelos de calidad: •

simula el desplazamiento de trazadores no reactivos por toda la red, a lo largo del tiempo

•

simula el avance y destino final de las sustancias reactivas cuya concentración o bien crece en el tiempo (p.ej. los subproductos derivados de la desinfección) o bien decrece (p.ej: el cloro residual)

•

simula el tiempo de permanencia (o envejecimiento) del agua mientras discurre por la red -

•

permite seguir la evolución en el tiempo de la fracción de caudal que llega a cada nudo de la red procedente de un nudo determinado (análisis de procedencias)

•

simula las reacciones que tienen lugar tanto en el seno del agua como en las paredes de las tuberías

•

permite emplear cinéticas de orden n para modelar las reacciones en el seno del agua

•

emplea cinéticas de orden cero o de primer orden para modelar las reacciones en las paredes de las tuberías

•

tiene en consideración las limitaciones de transferencia de masa al modelar las reacciones en las paredes de las tuberías

•

admite reacciones de crecimiento o decrecimiento de la concentración de una sustancia hasta llegar a un valor límite

•

permite definir coeficientes de reacción globales para toda la red, y modificar éstos posteriormente para determinadas tuberías

•

perm ite correlacionar los coeficientes de yelocidad de reacción en la pared de las tuberías con su rugosidad

•

permite considerar la inyección en cualquier punto de la red de un caudal másico o de concentración definida, variable en el tiempo

•

la evolución de la calidad del agua en los depósitos puede simularse como una mezcla homogénea, mediante un modelo de pistón, o como un reactor de dos compartimentos.

Mediante estas prestaciones, EPANET permite estudiar fenómenos relacionados con la calidad del agua tales como:

1.4

•

la mezcla de agua procedente de diversas fuentes

•

el envejecimiento del agua mientras discurre por la red

•

la pérdida de cloro residual

•

el crecimiento de los subproductos derivados de la cloración

•

el seguimiento del avance de un contaminante, tras su intrusión en la red.

Pasos para Utilizar EPANET

Los pasos a seguir normalmente para modelar un sistema de distribución de agua con EPANET son los siguientes; 1. Dibujar un esquema de la red de distribución (ver Apartado 6.2) o importar una descripción básica del mismo desde un fichero de texto (ver Apartado 11.4). ■ 2. Editar las propiedades de los objetos que configuran el sistema (ver Apartado 6.4) ; 3.

Describir el modo de operación del sistema (ver Apartado 6.5)

4.

Seleccionar las opciones de cálculo (ver Apartado 8.1)

5.

R ealizar el análisis hidráulico o de calidad del agua (ver Apartado

8.2) 6. 1.5

> ;;

Observar los resultados del análisis (ver Capítulo 9). 1

'

Acerca del Manual

El Capítulo 2 de este manual describe cómo se instala EPANET y ofrece una guía didáctica sobre su uso. Los lectores que np estén familiarizados con los fundamentos del modelado de la redes de distribución de agua, pueden consultar el Capitulo 3 antes de entrar e.n la guía. El Capítulo 3 proporciona información más detallada sobre cómo se modelan las redes de distribución de agua con EPANET. Se discute el comportamiento de los componentes físicos que constituyen la red y las peculiaridades de la información complementaria que hay que proporcionar al modelo, tales como las curvas de modulación y las leyes de control. También ofrece una visión general sobre cómo se lleva a cabo la simulación numérica del comportamiento hidráulico y de la calidad del agua. En el Capítulo 4 se muestra cómo está organizado el espacio de trabajo de EPANET. Se describen las funciones de las distintas opciones de menú y botones de las barras de herramientas, así como el uso de las tres ventanas principales de la aplicación: el Esquema de la Red, el Visor y el Editor de Propiedades. El Capítulo 5 versa sobre los ficheros asociados a un proyecto, los cuales almacenan toda la infonnación contenida en un modelo de EPANET de una red de distribución de agua. Se muestra cómo crear, abrir y guardar estos ficheros, y también cómo establecer las opciones por defecto del proyecto. Se indica

3

asimismo la forma de registrar los ficheros de datos de calibración, los cuales serán utilizados posteriormente para contrastar los resultados de la simulación coirlas medidas de campo. En el Capítulo 6 se describe la forma de construir el modelo de una red de •distribución de agua con EPANET. Se muestra cómo crear los diferentes componentes físicos que configuran el sistema (tuberías, bombas, válvulas, nudos de caudal, depósitos, etc), cómo editar sus propiedades, y cómo configurar el modo en que las demandas del sistema y el estado de los elementos de regulación :de la red van a cambiar con el tiempo. El Capítulo 7 explica cómo utilizar el esquema de la red, el cual representa de forma gráfica el sistema a simular. Se pasa revista a las formas de visualizar los distintos parámetros de diseño o resultados sobre el esquema mediante códigos de colores, a las operaciones de reescalado, acercamiento o alejamiento del esquema, la’ localización de objetos sobre el mapa, así como a todas las opciones ■disponibles para personalizar la apariencia del esquema. El Capítulo 8 muestra cómo realizar un análisis hidráulico o de la calidad del agua. Se describen las distintas opciones que permiten controlar el modo de efectuar los cálculos y se ofrecen algunas pistas para la interpretación de fallos al 'examinar los resultados: En el Capitulo 9 se discuten otras formas de analizar los resultados de lina simulación. Entre ellas-se incluyen diferentes vistas del esquema de ¡a red, distintos tipos de gráficos y tablas, y diversos informes específicos. El Capítulo 10 explica cómo imprimir y copiar las distintas formas de visualizar los resultados,'discutidas en el Capítulo 9. El Capítulo 11 describe cómo EPANET puede importar y exportar escenarios de proyecto. Un■'-escenario; es un subconjunto de datos que caracteriza las condiciones actuales bajo las cuales se está analizando la red (p.ej. demandas de los usuarios; Ifeyes de operación, coeficientes de reacción de las sustancias químicas en el agua, etc). También sé muestra cómo guardar todos los datos que configuran la base de datos del proyecto en un fichero de texto editable y cómo exportar el esquema de la red en diversos formatos. En el Capítulo 12 se responde a una serié de cuestiones relativas a la forma de utilizar EPANET para modelar ciertas situaciones de interés práctico, como la presencia de un calderín hidroneumático, la determinación dél caudal máximo extraíble en un nudo bajo unas condiciones de presión dadas, ó la simulación del crecimiento de los subproductos derivados de la cloración. Este mantial contiene también algunos'apéndices. El Apéndice A proporciona una tabla con las unidades utilizadas para expresar todos los parámetros de diseño y variables calculadas. El Apéndice B és una lista de códigos de mensajes de error que puede emitir el programa, junto con su significado. El Apéndice C muestra cómo EPANET se puede utilizar en modo comando desde una ventana DOS, y se discute el formato de los ficheros a utilizar bajo este modo de operación. Finalmente, el Apéndice D ofrece detalles de los procedimientos y fórmulas utilizados por EPANET en los algoritmos de cálculo, tanto hidráulicos como de calidad.

4

1.6

Novedades de la Versión 2.0 La versión 2.Ó de EPANET ha supuesto un notable avance respecto a la versión anterior l.l. Entre las mejoras introducidas en la interfaz del usuario cabe destacar: 1. Se ha implementado un Entorno de Edición Gráfico que pennite añadir y modificar elementos dilectamente sobre el esquema de red. 2. Se han implementado también Editores . Especiales que facilitan la introducción de datos para la definición de las propiedades de nudos y líneas, las demandas en los nudos de caudal, los factores de las curvas de modulación, las curvas características de bombas y curvas de comportamiento especiales, las leyes de control y las opciones dé cálculo. 3. Se ha creado una nueva funcionalidad para la Edición en Grupo, que pennite al'usuario seleccionar objetos mediante un cercado irregular y aplicar operaciones de edición, para el conjunto seleccionado, .como por ejemplo “Para todas las tuberías con una etiqueta igual a CLASE-A, reemplazar su rugosidad por el valor 0,1”. , 4. Se puede activar Ja opción Etiquetas Flotante para mostrar en una caja de texto el ID del nudo/línea, junto al valor de la magnitud, analizada, con sólo situar el cursor encima del elemento deseado. 5

Las etjqueta^ flotantes pueden convertirse, en Cajas de Texto Permanentes para algunos elementos claves de la red, y observar en .ellas la evolución de los resultados numéricos correspondientes.

6.

Se pueden realizar Consultas sobre pl esquema de la red, para identificar y localizar aquellos nudos o líneas que cumplan una condición definida por el usuario; Por ejemplo, se puede realizar una consulta que resalte todos los nudos en los cuales la presión esté por debajo de 20 m, y que ©quite el resto.

7. El trazado de las tuberías pupde definirse mediante polilíneas con vértices intermedios, para ajustar mejor el esquema, de la red a la realidad. 8. Se han ampliado las Capacidades para la visualización'de los resultados (y de algunos datos) sobre el esquema de la red, permitiendo entre otras opciones, que el tamaño de los nudos o el grosor de las líneas gea proporcional al valor de la magnitud observada, ocultar los símbolos, flechas y etiquetas a partir de una cierta escala, o mostrar una imagen de fondo (p. ej. un mapa de calles) detrás del esquema de la red. . 9. También se ofrece la posibilidad de realizar una Animación, mostrando sobre el esquema de la red los Valores instantáneos de la variable elegida codificados por golores, con funciones de pausa, rebobinado, marcha atrás y control de la velocidad de animación. , . 10. Se pueden generar Infonnes de Energía, con un listado del consumo energético y el coste para todas las bombas del sistema.

5

11-Se pueden generar Informes de Reacciones en los que se pone de manifiesto, del total de reacciones que afectan a la calidad del agua, la fracción que corresponde a reacciones en el seno del fluido, a.reacciones con las paredes de'lás tuberías y a reacciones en los depósitos de regulación. 12. También es posible generar Informes de Calibración para evaluar estadísticamente la bondad de ajuste del modelo, con respecto a los datos medidos. 13. Las salidas gráficas se han potenciado enormemente. Se mantienen las Curvas de Evolución y los Mapas de Jsolíneas con algunas mejoras, y se añade la posibilidad de trazar Perfiles Longitudinales, así como Curvas de Distribución;para cualquier magnitud elegida. Además puede generarse una curva que representa el Balance de Caudales entre producción y consumo, a lo largo del periodo de simulación. 14. Las Curvas dfe Evolución permiten superponer ahora el .comportamiento de varios nudos o línéas'sobre la misma gráfica. 15. Las posibilidades de personalizar todas estas curvas se han incrementado de ■* forma significativa, al objeto de mejorar la calidad de su presentación. 16: En esta nueva versión, el usuario puede elegir el formato de salida de las tablas de datos, teniendo la oportunidad de añadir y eliminar columnas de variables según se desee, ordenar las columnas según la variable seleccionada y emplear filtros para seleccionar los datos que aparecerán en la tabla. 17; EF usuario puede establecer ahora el número de decimales con que se : mostrará' cada Una de las variables calculadas, en todas las salidas de resultados: ■ ■ *18. El conjunto de informes, gráficos y tablas mediante los cuales se están analizando los resultados de los cálculos, se actualizan automáticamente tras realizar un nuevo análisis de la red. 19. El esquema de red puede guardarse en un fichero con formato .DXF, formato Metafile mejorado de Windows o como fichero de texto ASCII (coordenadas de los nudos y de los vértices de las lineas). 20’. Las Gráficas pueden guardarse en un fichero o ser copiadas al portapapeles de Windows como bitmaps, metaficheros o datos ASCII. 21. Se‘ han incorporado las funciones de Configurar página y Vista preliminar. 22. Es posible guardar y cargar diferentes Escenarios de Simulación en el proyecto, para actualizar de golpe todos los valores de.algunas variables que configuran los datos de la red, como las demandas, la calidad inicial del agua, la rugosidad de las tuberías, los coeficientes de reacción, las leyes de control,

6

En EPANET 2.0 no solo se ha mejorado la interfaz gráfica, sino también sus c a p a c id a d e s d e c á lc u lo . Las principales mejoras introducidas en el módulo de cálculo son las siguientes: 1. -Se ha desarrollado un nuevo formato de fichero de entrada (fichero .NET) para trabajar de foritlá.más eficiente con la nueva interfaz de usuario. Se trata de un fichero binario que el usuario no tiene que editar directamente. Los ficheros de texto de la versión anterior 1.1 (ficheros .INP), todavía pueden ser utilizados", ya que se pueden abrir y modificar, al tiempo que proporcionan una copia legible de los datos de entrada de; la red. 2. Los Identificativos (IDs) utilizados para identificar objetos de la red ya no tienen que ser necesariamente números. Ahora pueden contener cualquier combinación de letras y números, hasta 15 caracteres. 3: Se lia introducido un nuevo elemento denominado Embalse, para distinguirlo de los depósitos de regulación. Se puede asignar una curva de modulación a la cota de lámina del embalse (o .a su altura piezométrica) para imponer la variación temporal de la misma como condición de contomo. 4.

Se ha incluido un nuevo tipo de objeto, las Curvas de comportamiento, las cuales pemiiten establecer relaciones entre dos variables del sistema.

5. Se puede definir ahora la curva característica, de una bomba mediante múltiples puntos, y también asignar a éstas una curva de modulación para ■ controlar el estado o la velocidad de las mismas. . . . 6. En la nueva versión es posible también evaluar el consumo de energía de una bomba y estimar su coste energético considerando la variación horaria del costé de la energía. Para el cálculo puede definirse una curva de rendimiento para cada bomba y una curva de variación horaria de las tarifas eléctricas o bien establecer unos valores por defecto. La libertad para introducir la modulación de las tarifas eléctricas está en consonancia con la liberalización del mercado eléctrico. Además la aplicación genera un, informe completo sobre los costes energéticos. , = 7. Otro aspecto a destacar es la posibilidad de modelar depósitos no cilindricos mediante la declaración de la curva de cubicación que'relaciona el volumen 1 almacenado con el nivel del agua en el mismo. 8. Es posible también asignar a los nudos de consumo múltiples categorías de demanda (demanda base +curva de modulación). 9. Las sentencias de control de la versión anterior se denominan ahora Leyes de Control Simples y se han ampliado sus propiedades para permitir el control del estado de una línea en base a la hora real del día. 10. Se ha incorporado una nueva categoría de controles, denominada Leyes de Control basadas en Reglas, que permiten controlar el estado de una línea en base a una combinación de condiciones dadas. 11. Se ha añadido la opción de poder localizar eii cada nudo de consumo un Emisor (para simular un orificio, un hidrante o un aspersor). En estos dispositivos se considera que el flujo de salida es función de la presión disponible. Ver Propiedades de los Nudos de Caudal y Emisores. 7

12. Mediante las nuevas Válvulas de Propósito General, se pueden modelar elementos cuyo comportamiento obedezca a una curva pérdidas-caudal definida por el usuario, en sustitución de las fórmulas de pérdidas convencionales. 13. Se han añadido mejoras en la detección y tratamiento de los problemas relacionados con la desconexión de una parte del sistema o la imposibilidad de alcanzar el equilibrio hidráulico en algún instante de la simulación. 14. El método de cálculo de la calidad del agua ha sido reemplazado por otro más eficiente basado en un método Lagrangiano . Los parámetros a suministrar ahora por el usuario son el intervalo de tiempo para el análisis de la calidad ' del agua y la tolerancia en la variación del parámetro de. calidad. 15. L a' intensidad de las fuentes contaminantes puede declararse ahora en, términos de concentración o de caudal másico para sistemas de inyección, o bien en términos de incremento de la concentración para sistemas de reinyección. : 16. Las reacciones en el seno del fluido pueden modelarse ahora con cinéticas de orden n, y también mediante cinéticas de Michaelis-Menton para modelar el crecimiento biomolecular o de enzimas. . 17. .Las reacciones con las paredes de las tuberías pueden modelarse con cinéticas ,de orden 0 ó cinéticas de-primer orden. . 18, Puede también modelarse el crecimiento o decaimiento hasta un potencial . ..límite de algunas sustancias contenidas en el água. 19. Los coeficientes de reacción con las paredes de las tuberías pueden correlacionarse con los coeficientes de rugosidad de las mismas. 20. Se dispone de varios modelos diferentes para caracterizar los procesos de . mezcla en los depósitos de regulación. , • 21. Los resultados de la simulación en período extendido pueden presentarse como curvas de evolución, como valores promediados en el tiempo para cada nodo y línea de la red, o. mediante sus valores máximos, mínimos o rangos de variación. , 22. Se pueden obtener informes de calibración con estadísticas comparativas entre los valores simulados y. lps. valores medidos.

8

2.1

Instalación de la versión española de EPANET La Versión 2 de EPANET está diseñada para trabajar bajo los sistemas operativos Microsoft0" Windows 95/98/NT en ordenadores personales compatibles IBM/Intel01'. La traducción al español de esta versión se distribuye en un solo fichero, EN2inst_esp.exe1, el cual contiene un programa de instalación autoextraíble. Para instalar la versión española de EPANET: 1. Seleccionar Ejecutar.... desde el Menú

de Inicio de Windows.

2 . Introducir

la ruta completa y el nombre del fichero EN2inst_esp.exe, o bien, pulsar el botón Examinar para localizarlo en su ordenador.

3 . Pulsar el botón Aceptar para comenzar el proceso de instalación. El programa de instalación le preguntará que elija una carpeta (directorio) para ubicar los ficheros de EPANET. La carpeta por defecto es c:\Archivos de programa\EPANET2 Esp. Finalizada la instalación, en el Menú de Inicio aparecerá una nueva entrada denominada EPANET 2.0 Ésp: Para ejecutar EPANET simplemente seleccionar esta entrada, y- a 'continuación la opción EPAN E T 2.0 Español del submenú mostrado. (El nombre del fichero ejecutable que lanza la versión española de EPANET bajo Windows es epanet2w_esp.exe.) Para eliminar la versión española de EPANET de su ordenador, se recomienda seguir el .siguiente procedimiento: '■ ■ 1. Seleccionar Configuración.:, del Menú 2 . Seleccionar Panel

de Inicio de Windows.

del Control del menú de elementos

configurables. 3. Efectuar una doble pulsación sobre el icono Añadir o quitar programas. 4. Seleccionar E P A N E T 2.0

Esp de la lista de programas ofrecida.

5. Pulsar el botón Agregar o quitar... Nota.

La versión española de EPANET es totalmente compatible con la original en inglés a todos los efectos. Ambas pueden coexistir y pueden ejecutar los mismos ficheros de datos. (NdT)

1 L;i v ersión español:) de todo s los fiche ros tra du c ido s se caracteriza p o r la te r m in a c ió n _ e s p a ñ a d id a al n o m b re del fiche ro (N d T )

9

A lo largo de esta guía analizaremos la red de distribución sencilla mostrada en la figura 2.1. Consta de un depósito de nivel constante (p. ej. la galería de agua filtrada de una planta de tratamiento de agua potable), desde el cual se bombea el agua a la red de distribución, configurada por dos mallas. En el extremo opuesto hay un depósito elevado de compensación, conectado a la red a través de una tubería única. Los identificativos de cada uno de los elementos de la red se indican en la figura.. Las características de los nudos se detallan en la Tabla 2.1, y las de las tuberías en la Tabla 2.2. Además, se sabe que la bOmba (línea 9) puede comunicar una altura de 45 m aun caudal de 42 l/s. El depósito elevado (Nudo 8) tiene un diámetro de 20 rh, el nivel inicia! del agua en el mismo es de 1 m y el nivel máximo permitido de 6 m s¡t»h’.s del Area de Dibujo: v observar las coordenadas asignadas por 'defecto para el área de trazado de la red del nuevo proveció. Admitiremos que son suficientes para éste ejemplo, de mocló que puliremos el bolón Aceptar.

Dibujo de la Red .Estamos ahora en disposición dé construir la red haciende» uso clel nilón v.de los bolones de la Barra de Herramientas de! Esquema, la cual se muestra a continuación (si la 'Barra no estuviera visible, seleccionar Ver >> Bárra Herramientas » Esquema)

y

o

fe! S ; ~ C? M;

t

Primero que nada añadiremos la Valeria de amia filtrada.' Pulsar el bolón Añadir

a . y a comiiuiación fijar con el ratón su posición sobre el área de dibujo (en la zona izquierda). ’ Embalse

Ahora añadiremos los nudos de caudal. Pulsar el botón Añadir Nudo de-Cauda! y marcar con cl ralón sobre el área de dibujo las posiciones,de los nudos 2 a 7.

e y Finalmente añadir el depósito pulsando el' bolón Añadir -Dej/óxiio U=ü marcando, sobre el área de dibujo su posición con el ratón. En este momento el Esquema de la Red debe asemejarse al mostrado en la figura 2.4. Observar cómo

los identificativos se generan automáticamente y de forma secuencial conforme se van añadiendo objetos a la red. \ m m m m 1

m

2

m

3

4

7

D *

5

*

Figura 2.4 Esquema de la red después de añadir los Nudos

A continuación añadiremos las tuberías. Comenzaremos, con la tubería 1, que conecta los nudos 2 y 3. Primeramente pulsar el botón Añadir Tubería I— I de la Barra de Herramientas. A continuación pulsar con el ratón el nudo 2 del esquema, y seguidamente el nudo 3. Mientras se desplaza el ratón del nudo 2 al' 3 se observará un trazado provisional de la tubería. Repetir el mismo procedimiento para las tuberías 2 a 7. A diferencia de las anteriores, la tubería 8 está curvada. Para dibujarla pulsar con e! ratón primero sobre el nudo 5. A continuación, mientras se desplaza el ratón hacia el nudo 6, pulsar en aquellos puntos en los que se requiera un cambio de dirección para darle a la tubería el trazado deseado. El proceso se completa pulsando sobre el nudo 6. Finalmente, añadiremos la bomba. Pulsar el botón Añadir Bomba continuación marcar con el ratón el nudo 1, y seguidamente el nudo 2.

C?

Para finalizar el dibujo de la red añadiremos tres rótulos descriptivos para identificar la galería, la bomba y el depósito. Seleccionar el botón Añadir Texto -

T de la Barra de Herramientas del Esquema, y pulsar en un punto cerca del embalse (Nudo 1). Aparecerá en seguida una caja de texto. Introducir la palabra FUENTE SUM. y pulsar la tecla In tro . Pulsar a continuación en otro punto cerca de la bomba e introducir el rótulo correspondiente, y hacer lo mismo para el depósito. Finalmente, pulsar el botón Seleccionar Objeto 1—J de la Barra de Herramientas para dejar el esquema en el modo Seleccionar Objetos en lugar del modo Insertar Texto. En este momento habremos completado el dibujo de la red ejemplo. El Esquema de la Red debe mostrar una apariencia como la de la Figura 2.1 Si los nudos no hubieran quedado bien situados, pueden desplazarse pulsando sobre el nudo con el botón izquierdo del,ratón dos veces, la primera para, seleccionarlo liberando el botón, y la segunda para arrastrarlo hasta su nueva posición sin soltar el botón del 13

X

ratón. Observar cómo las tuberías conectadas al nudo se mueven con él. Los rótulos pueden también reposicionarse de modo similar. Para modificar el trazado de la tubería 8 proceder del siguiente modo: Pulsar primero con el ratón sobre la tubería 8 para seleccionarla, y a continuación pulsar el botón IV de la Barra de Herramientas para poner el Esquema en el modo Seleccionar Vértice. Seleccionar un vértice sobre la tubería pulsando sobre él con el ratón dos veces, la primera para seleccionarlo y la segunda para arrastrarlo hasta su nueva posición, manteniendo el botón del ratón pulsado. Si fuera necesario, se pueden añadir o borrar vértices de la tubería pulsando el botón derecho del ratón y eligiendo la opción adecuada del menú emergente. 4.

2.5

Al terminar, pulsar el botón

Objeto.

para volver al modo Seleccionar

Introducción de las Propiedades de los Objetos

A medida que los objetos son añadidos al proyecto, éstos adquieren automáticamente las propiedades por defecto. Para cambiar el valor de una propiedad determinada de un objeto, éste debe seleccionarse antes con el Editor de Propiedades (figura 2.5). Existen diversas formas de hacerlo. Si el Editor ya está visible, bastará pulsar sobre el objeto elegido o seleccionarlo desde la página de D atos del Visor. Si el Editor no está visible, se puede abrir de alguna de las siguientes maneras:

P rop ie dad

V a lo r

" I D N u do d e Caudal

2

; C oordenada X

1184,28

C oordenada Y

7908,28

i

—J

{D e s c rip c ió n (E tiq u e ta ¡'C o ta

1210

-

j D em anda B á te

0

¡C urva M oduf. D em anda | T ip o s de D em anda

f

1

¡C o e fic ie n te de l Emisor ¡C a lid ad In ic ia l [in te n s id a d de la F uen te

zJ

Figura 2.5 El Editor de Propiedades

14

•

Efectuando una doble pulsación con el ratón sobre el objeto en el esquema.

•

Pulsando el botón derecho del ratón sobre el objeto y eligiendo la opción Propiedades del menú emergente.

•

Seleccionando el objeto desde el

Editar

Visor de Datos, y

pulsando sobre el botón

de dicha ventana (o bien efectuando una doble pulsación sobre el

mismo) Una vez seleccionado el objeto sobre el Editor de Propiedades, pulsando la tecla F1 se obtiene una descripción completa de todas las propiedades listadas. Vamos a comenzar la edición seleccionando el nudo 2 sobre el Editor de Propiedades, tal como se ha descrito antes. Introduciremos ahora la Cola y la Demanda Base de este nudo (ver Tabla 2.1) en los campos apropiados. Para movernos de un campo a otro se pueden utilizar las flechas Arriba y Abajo del teclado o bien el ratón. Basta ahora pulsar sobre otro objeto (nudo o línea) para que sus propiedades aparezcan en el Editor de Propiedades. (También se pueden, utilizar las teclas AvPág y RePág para pasar al Objeto del mismo tipo inmediatamente anterior o posterior en la base de datos). De este modo nos iremos desplazando de un objeto a otro, rellenando la Cota y la Demanda Base en el caso de los nudos, y. Para la galería de agua filtrada (Nudo 1), habrá que introducir su cota (210 m) en el campo Altura Total. Para el depósito (Nudo 8) introduciremos como Cota de Solera 250 m, como Nivel Inicial 1 ffl, como Nivel Mínimo 0 m, como Nivel Máximo 6 m y como Diámetro 20 m. En el caso de la bomba, necesitaremos asignarle una curva característica (o relación altura ^ caudal), para lo cual introduciremos el identificativo 1 en el campo correspondiente a la Curva

Característica.

Siguiendo el mismo procedimiento utilizado para los nudos, pulsaremos sobre cada una de las tuberías (o bien utilizaremos las teclas AvPág y RePág para movernos de una tubería a otra) al objeto de introducir sus propiedades a través del Editor de Propiedades, en particular la Longitud , Diámetro y Rugosidad (factor e de D-W) (ver Tabla 2.2) . En el caso de la bomba, es necesario asignarle una curva característica (relación altura -caudal) que defina sU comportamiento. Seleccionar la bomba (Línea 9) en el Editor de Propiedades e introducir el Identificativo i en el campo correspondiente a la Curva Característica. A continuación tendremos que crear la Curva de la Bomba 1. Para ello, desde el Visor de D atos seleccionar la opción

Curvas Comport. de la lista desplegable y pulsar el botón Añadir JíÜ . Se añadirá una nueva Curva a la base de datos, con el identificativo 1, y se abrirá el diálogo del Editor de Curvas de Comportamiento (ver Figura 2.6). Introducir el Caudal nominal (42 l/s) y la Altura nominal (45 m) de la bomba en el formulario. EPANET automáticamente creará una curva completa de la bomba a partir de su punto nominal, cuya forma y. ecuación pueden observarse en el mismo formulario. Pulsar finalmente el botón Aceptar para cenar el Editor.

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