MODULO ACUEDUCTOS.pdf

TABLA DE CONTENIDO

PAG. CAPITULO 1

21

UNIDAD 1: GENERALIDADES

23

1.1

Representación de un modelo de acueducto junto con un alcantarillado.

24

1.2

Periodo de diseño, clases.

24

1.3

Volúmenes de agua

25

1.4

Glosario de términos

26

1.5

Características del agua potable.

34

1.6

Aguas agradables.

35

1.7

Ingeniería sanitaria

35

1.8

Dureza del agua

36

1.9

Acidez y alcalinidad.

36

1.10

Enfermedades causadas por aguas contaminadas.

38

1.11 Bibliografía recomendada.

40

1.12

41

Autoevaluacion.

0

CAPITULO 2

PAG. 42

UNIDAD 2: CRITERIOS BASICOS PARA EL DISEÑO.

42

2.1

Hidrologia de diseño.

44

2.2

Población de diseño

45

a) b) c) d) e) f)

Estudio de población. Crecimiento geométrico. Crecimiento aritmético. Método de variación logarítmica. Método de comparación grafica. Ejemplo método logarítmico.

45 45 48 50 51 52

2.3

Periodo de diseño y vida probable de las estructuras.

64

2.4

Factores de importancia en la determinación del periodo y vida útil de las estructuras.

64

2.5

Bibliografía recomendada

67

2.6

Autoevaluacion.

68

CAPITULO III

69

UNIDAD 3: OBRAS DE CAPTACION.

69

3.1

Factores que deben tenerse en cuenta en la localización de las Obras de captación. 73

3.2

Clases de Bocatoma.

74

1. Bocatoma o captación. 2. Bocatoma con muro transversal.

1

74 79

3. Bocatoma lateral con bombeo.

80

4. Bocatoma mediante sifón invertido. 5. Bocatoma con flotador con manguera flexible. 6. Bocatoma com bombeo flotante. 7. Bocatoma deslizante. 8. Bocatoma de fondo.

82 84 85 86 88

3.3

Ejemplo de diseño de captación lateral.

97

3.4

Ejemplo de diseño de Bocatoma de fondo.

106

3.5

Bibliografía recomendada.

120

3.6

Autoevaluacion.

121

CAPITULO IV

122

UNIDAD 4: DESARENERADOR.

122

4.1

Zonas de un desarenerador.

131

4.2

Zona I: Cámara de agrietamiento.

132

4.3

Zona II: Entrada al desarenerador.

132

4.4

Zona III: Zona de sedimentación.

132

4.5

Zona IV: Almacenamiento de lodos.

132

4.6

Zona V: Salida del desarenerador.

132

4.7

Zona VI: Válvula de compuerta.

133

4.8

Zona VII: Tubería de rebose.

133 2

4.9

Zona VIII: Cámara de inspección.

133

4.10 Grado del desarenerador.

133

4.11 Numero de HAZEN.

133

4.12 Especificaciones de diseño.

134

4.13 Profundidad mínima y máxima.

134

4.14 Periodos de retención hidráulica.

135

4.15 Relación longitud-ancho.

135

4.16 Paso directo.

135

4.17 Profundidad de almacenamiento de lodos.

135

4.18 Carga hidráulica superficial y ejemplo de diseño del Desarenerador.

135

4.19 Bibliografía recomendada.

152

4.20 Autoevaluacion.

153

CAPITULO V

154

UNIDAD 5: ESTADISTICAS DE CONSUMO DE AGUA EN LAS LOCALIDADES.

5.1

Consumo.

156

5.2

Consumo domestico.

156

5.3

Tabla de consumo domestico.

156

5.4

Valores de consumo de agua. (Schock Listh).

157

3

5.5

Consumo industrial.

157

5.6

Perdidas.

157

5.7

Consumo por incendio.

158

5.8

Consumo publico; ejemplo.

158

5.9

Factores que afectan el consumo.

161

5.10 Consumo medio (Cm).

163

5.11 Consumo máximo diario (CMD).

163

5.12 Consumo máximo horario. (CMH).

163

5.13 Consumo per cápita.

164

5.14 Consumo futuro.

164

5.15 Consumo de diseño.

164

5.16 Ejemplo de calculo de caudal.

166

5.17 Bibliografía recomendada.

170

5.18 Autoevaluacion.

171

CAPITULO VI

172

UNIDAD 6: ABASTECIMIENTO DE AGUAS.

172

6.1

Influencia de las variaciones de consumo sobre el sistema.

4

174

6.2

La fuente de abastecimiento.

174

6.3

La obra de captación.

175

6.4

La línea de aduccion u obras de conducción.

175

6.5

Los tanques de almacenamiento.

175

6.6

La estación de bombeo.

176

6.7

La planta de tratamiento.

176

6.8

La red de distribución.

176

6.9

Ejemplo de calculo.

177

6.10 Clases de tubería.

178

6.11 Bibliografía recomendada.

180

6.12 Autoevaluacion.

181

CAPITULO VII

182

UNIDAD 7: LINEAS DE ADUCCION POR GRAVEDAD, EJEMPLO

182

7.1

Criterios para el diseño.

184

7.2

Carga disponible.

185

7.3

Gasto o caudal de diseño.

186

7.4

Carga estática disponible.

188

7.5

Clase de tubería capaz de soportar las presiones hidrostáticas.

188

Clases de tuberías en funcion de la presión.

189

7.6

5

7.7

Calculo de diámetros para el ejemplo.

195

7.8

Bibliografía recomendada

198

7.9

Autoevaluacion.

199

CAPITULO VIII

200

UNIDAD 8: CONDUCCIONES Y CARACTERISTICAS DE LA CONDUCCION.

200

8.1

Primera posición.

202

8.2

Segunda posición.

204

8.3

Tercera posición.

205

8.4

Cuarta posición.

206

8.5

Quinta posición.

207

8.6

Accesorios en la conducción forzada.

208

1. Válvulas de purga, esquemas.

209

8.7

Tabla de los diámetros de las válvulas de purga.

209

8.8

Ventosas o válvulas de expulsión de aire, esquemas.

209

8.9

Válvulas de control.

212

8.10 Funcionamiento de la ventosa.

212

8.11 Materiales y presiones de trabajo.

212

8.12 Presiones máximas de trabajo.

213

6

8.13 Calculo de la línea de conducción.

213

8.14 Coeficientes de rugosidad.

214

8.15 Perdidas de carga.

214

8.16 Perdida de carga puntuales o menores.

214

-

Para cualquier accesorio. Para expansión brusca. Para contracción brusca. Para cambio de dirección. Para válvulas, llaves, codos, etc.

8.17 Ejemplo de coeficientes (K) de perdidas.

215

8.18 Selección del codo según la suma o diferencia de pendientes.

216

8.19 Ejemplo de diseño de la conducción: Bocatoma Desarenerador.

219

8.20 Ejemplo de diseño de la conducción: Desarenerador-Tanque. 222 8.21 Calculo del tanque de almacenamiento.

233

8.22 Bibliografía recomendada.

236

8.23 Autoevaluacion.

237

CAPITULO IX

238

UNIDAD 9: RED DE DISTRIBUCION

238

9.1

Regulación sobre presiones de servicio en la red.

240

9.2

Velocidad máxima en la red.

241

7

9.3

Velocidad mínima en la red.

241

9.4

Consumo máximo horario.

242

9.5

Numero de hidrantes.

242

9.6

Presiones de servicio.

243

9.7

Válvulas.

243

9.8

Velocidades de diseño.

245

9.9

Localización de la tubería de acueducto.

246

9.10 Tipo de mallado.

246

9.11 Ejemplo de caudal de diseño en la red.

247

9.12 Sistemas de gravedad.

247

9.13 Sistemas de bombeo.

248

9.14 Bombeo sin almacenamiento.

248

9.15 Calculo hidráulico de la red de Malla-Método de HARDY-CROSS.

248

9.16 Red de tuberías.

248

9.17 Ejemplo del Método de HARDY-CROSS.

250

9.18 Trazado de la red principal.

251

9.19 Centros de masa.

251

9.20 Conexiones domiciliarias.

252

9.21 Medidores.

253

9.22 Diafragmas.

253

9.23 Ejemplo de diseño de la red de distribución

254

8

9.24 Bibliografía.

263

9.25 Autoevaluacion.

264

CAPITULO X

265

UNIDAD 10: SISTEMAS DE ALCANTARILLADO

265

10.1 Clasificación de los conductos

269

10.2 Disposición de la red de alcantarillado.

269

10.3 Sistema perpendicular con interceptor

269

10.4 Sistema abanico.

270

10.5 Sistema perpendicular sin interceptor

271

10.6 Sistema perpendicular con interceptor y aliviadero.

271

10.7 Sistema bayoneta

272

10.8 Alcantarillado sanitario y cálculos de población.

272

10.9 Densidad de población.

272

10.10 Caudal promedio para diseño

273

10.11 Coeficiente de retorno (Cr)

273

10.12 Aporte medio diario.

273

10.13 Variación del caudal.

274

10.14 Picos máximos

274

10.15 Aparatos sanitarios

275

9

10.16 Ejemplo (problema)

275

10.17 Aguas negras industriales

277

10.18 Aguas de infiltración.

277

1019 Tabla de infiltración.

277

10.20 Tabla de infiltración (según Insfopal)

277

10.21 Conexiones erradas.

278

10.22 Caudal comercial.

278

10.23 Caudal Institucional.

278

10.24 Coeficiente de rugosidad

278

10.25 Caudal de diseño

278

10.26 Velocidad de diseño

279

10.27 Diámetro mínimo

279

10.28 Diámetro de diseño

279

10.29 Profundidad mínima a la clave

279

10.30 Distancia entre pozos

279

10.31 Empates de tubería.

279

10.32 Pozos de inspección.

280

10.33 Diámetro del pozo (tabla)

280

1034 Esquema de un pozo de Inspección de aguas negras.

281

10.35 Planta del pozo de inspección (esquema)

282

10.36 Dimensiones de un pozo de inspección de aguas negras

283

10.37 Caída o cambio de pendiente

283 10

10.38 Cámara de caída (esquemas)

283

10.39 Diámetro de la cámara de caída (esquema)

284

10.40 Detalle de la cámara de caída (esquema)

285

10.41 Datos topográficos necesarios para un proyecto de Alcantarillado.

285

10.42 Diagrama de HAZEN-WILLIAMS

296

10.43 Diagrama de MOODY

297

10.44 Bibliografía recomendada

298

10.45 Auroevaluacion

299

10.46 Prueba final

300

11

INTRODUCCION GENERAL

Este modulo de acueductos y alcantarillados que se escribe con la finalidad de presentar una visión amplia en el diseño de acueductos y alcantarillados. No es un tema fácil pero tampoco muy difícil, es por eso que hemos querido presentar este modulo de tal modo que el estudiante entienda y analice muchos fenómenos importantes que tiene que resolver el Ingeniero. Es nuestro propósito producir un modulo de acueductos y alcantarillados de fácil manejo para los estudiantes de Ingeniería Civil (modalidad a distancia), con un ágil recurso de consulta para los estudiantes y profesionales con responsabilidades en proyectos de abastecimiento de agua. Es por eso que se desarrolla los capítulos en forma secuencial (aprovechamiento, conducción, distribución, etc.). No obstante somos consientes de que en el diseño de los componentes de un sistema de acueducto no se sigue esa secuencia. Se presenta en los diferentes capítulos, ejemplos que van de lo sencillo a lo mas complejo, de lo teórico a lo practico. Cada vez que se presento la necesidad,

12

PRESENTACION:

Para la Escuela de Ingenieros Militares es un orgullo presentar a los estudiantes de esta alma mater el presente modulo de Acueductos y Alcantarillados, cuidadosamente escrito y revisado con el propósito de que los estudiantes de Ingeniería Civil a distancia dispongan de una guía de estudio que los oriente el aprendizaje de esta materia tan importante para el desempeño de su carrera profesional.

En este modulo, además de las conceptos teóricos, se expondrán ejemplos prácticos de diseños en la línea de Acueductos y Alcantarillados, lo mismo que las normas generales de construcción de todas las estructuras que conforman un acueducto y un alcantarillado. Es para mi contar con todos ustedes. Para la generalización y comprensión del mismo y para dar mis mas sinceros sentimientos de gratitud. Es bien sabido que la mayoría de los habitantes de Colombia no disponen de agua potable para beber, para la higiene, razón por la cual se hace necesario la construcción de sistemas de acueductos y plantas de tratamiento de Acueductos. Al mismo tiempo se sabe que nuestro país es uno de los mas ricos y cubierto de agua dulce (Recursos hídricos), en relación con otros países y con su población.

13

PROPOSITO

El resultado de este modulo es orientar facilitar y guiar al estudiante para la comprensión, de que manera se diseñan las obras de acueductos y alcantarillados, lo mismo que el orden en que debe llevar los desarrollos del diseño para ser aplicados la servicio de una comunidad. Se hace necesario inducir al estudiante en la investigación de los nuevos campos y normas en el Diseño y construcción de obras de acueducto y alcantarillado.

14

METODOLOGIA

Como usted habrá de identificarlo, al iniciar el contenido de este modulo los contenidos presentados en el son de naturaleza teórico-practica. Esta situación, hace que usted sea cuidadoso en el estudio del mismo y vaya avanzando de manera muy precisa en cada una de las unidades que se plantean y explican la estructura de cada unidad y sus contenidos.

Por ello cada parte va encaminada a que la calidad del aprendizaje sea de gran competencia, y a que no pase a un conocimiento y experiencia nuevo sin antes haber captado con eficiencia los anteriores. Algo fundamental en el estudio de este modulo es que usted compruebe gradualmente y por su propia cuenta (cuando este ausente del tutor), los aprendizajes que vaya obteniendo, de ahí la exigencia que absorbe con cuidado cada una de las autoevaluaciones que se le proponen periódicamente al final de cada unidad, y las que se realicen de forma presencial. El texto fundamental para el estudio de esta asignatura es este modulo, sin embargo su aprendizaje será mejor si se apoya en otros textos de la bibliografía recomendada. Para una mejor orientación y comprensión usted estará en contacto con su tutor para aclaración de dudas, se tendrá en cuenta para la calificación, la aprobación escrita y sustentación personal de cada una de las autoevaluaciones, talleres, trabajos e investigaciones.

15

RECOMENDACIONES:

- Consultar textos en la materia para ampliar los conocimientos. - Leer cada una de las unidades con bastante claridad para poder abordar la siguiente. -Consultar periódicamente a su tutor. -Cumplir con las investigaciones y trabajos que se impongan. -Presentar con bastante honestidad cada una de sus autoevaluaciones preparando con bastante amplitud cada unidad.

16

PRUEBA INICIAL 1. Defina línea piezometrica 2. Defina línea de energías totales 3. Convertir una presión de 0.5 Kgf/ cm2 a: a. b. c. d.

Kgf /m2 Psi Metros de agua Atmósferas

4. Convertir una viscosidad de 0.012 Kgf.seg/ m2 a poises 5. Convertir una viscosidad de 12.2 Libt .seg/ pie2 a poises 6. Diferencie presión manométrica de presión barométrica 7. Si la presión absoluta de un punto es 0.5 atmósferas y la presión barométrica 500 mmHg, halle la presión manométrica (Pab = Pm + Pb) 8. Enuncie la segunda ley de Newton y como se representa 9. Una maquina de construcción eleva 8000 Kgf a una altura de 5 metros en un minuto. Halle a. Su trabajo b. Su potencia 10. Derive la funcion Ln (x2) = Tg2 (2x-x2) 11. En tuberías en serie, es cierto que los caudales son constantes y las perdidas acumulativas, si o no. 12. Las coordenadas de un punto P1, son: (-4, -3) y las de P2, son (8, 6), halle la pendiente de la línea Buena Suerte

17

INTRODUCCION GENERAL DEL MODULO Este modulo de acueductos y alcantarillados, se escribe con la finalidad de presentar una visión amplia en el diseño de acueductos y alcantarillados. No es un tema fácil, pero tampoco muy difícil, es por eso que hemos querido presentar el modulo de tal modo que el estudiante entienda y analice muchos fenómenos importantes que tiene que resolver el ingeniero. Es nuestro propósito, producir un modulo de acueductos y alcantarillados de fácil manejo para los estudiantes de ingeniería civil (modalidad a distancia), con un ágil recurso de consulta para los estudiantes y profesionales con responsabilidades en proyectos de abastecimiento de agua, por eso se desarrollan los capítulos en forma secuencial (aprovechamiento, conducción, distribución etc.) No obstante somos conscientes que en el diseño de los componentes de un sistema de acueducto no se sigue esa secuencia. Se presentan en los diferentes capítulos, ejemplos que van de lo sencillo a lo complejo, de lo teórico a lo practico, cada vez que se presente la necesidad. Se expusieron muchos principios de la mecánica de fluidos y la hidráulica de tuberías. De igual manera, se presentan normas vigentes de nuestro país, con los que se regulan los proyectos de abastecimiento de agua. De igual manera la parte de alcantarillado contiene las estructuras necesarias que conforman un sistema, sus usos, dimensiones y normas de aplicación, al igual las tablas de calculo total de una red de alcantarillado que contiene 37 columnas. En lo posible se ha utilizado en los problemas y formulas el sistema métrico (MKS) por su tendencia a universalizarse. Después de comprender el modulo, el estudiante deberá saber diseñar sistemas de tuberías, bocatomas, desarenadotes, tanques de almacenamiento, redes de distribución, alcantarillado de aguas negras y todas las demás estructuras hidráulicas que conforman los sistemas de acueductos y alcantarillados

18

OBJETIVO GENERAL DEL MODULO Reconocer que las ciencias y técnicas aplicadas a la distribución y uso del agua, engloban también su tratamiento y este alcanza cada vez mayor importancia debido a la progresiva alteración que se esta produciendo en el medio natural. Identificar y explicar los diferentes usos del recurso agua, su tratamiento etc. Identificar y conocer cada uno de los componentes de un sistema de acueducto y alcantarillado, su selección, como diseñarlo y distribuirlo para ser aprovechado Identificar y conocer cada uno de los componentes de un alcantarillado sanitario, como se seleccionan y se diseñan

19

OBJETIVOS ESPECIFICOS DEL MODULO Desarrollar en el estudiante una conciencia física del aprovechamiento del recurso “agua” Diferenciar entre un sistema de acueducto y un sistema de alcantarillado Entender los problemas técnicos que ocurren en las líneas de conducción por gravedad y por bombeo para el abastecimiento de agua en las ciudades, en las obras de toma, en los sitios de almacenamiento, los sitios de distribución (redes) etc. Aplicar los principios de la mecánica de fluidos, de la hidráulica general, la hidrologia en los sistemas de conducción de agua potable Reconocer los principios de sedimentación en los desarenadotes Estimar la importancia sanitaria de los sistemas de desinfección Desarrollar el diseño de un sistema de acueducto Desarrollar el diseño de un sistema de alcantarillado sanitario Preparar a los estudiantes para entrar a la práctica profesional y las aplicaciones de la hidráulica general

20

CAPITULO 1 INTRODUCCION UNIDAD 1:

OBJETIVO GENERAL: Reconocer que las ciencias y técnicas aplicadas a la distribución y uso de agua engloban también su tratamiento, identifica cada una de las partes de un sistema de acueducto, el glosario de términos, el ciclo hidrologia ( su aplicación), las enfermedades de origen hídrico y como prevenirlas

21

OBJETIVO ESPECIFICO: Desarrollar en el estudiante una conciencia para el aprovechamiento del recurso “agua” Analizar sobre los volúmenes de agua que necesita una comunidad para sus necesidades Tener una visión clara de las enfermedades causadas por aguas mal tratadas

22

GENERALIDADES

El criterio general que se ha seguido para el desarrollo de los programas de abastecimiento de aguas (agua potable) y alcantarillados es el de procurara hasta donde sea posible, el tratar los temas en el orden en que se estudian al elaborar los proyectos. Cuando se desarrollan los temas, se citan las especificaciones adoptadas por el INSFOPAL (Instituto de Fomento Municipal), la EAAB (Empresa de Acueducto y alcantarillado de Bogota), la CAR (Corporación Autónoma Regional) y Las Empresas Públicas de Medellín, acompañadas de ejemplos numéricos. Dentro de la problemática del saneamiento básico de comunidades tiene enorme importancia el suministro de agua potable y la recolección de aguas residuales. Toda población por pequeña que sea debe contar con los servicios de acueducto (agua potable), alcantarillado (aguas negras) y pluviales (aguas lluvias), para esperar de ella un desarrollo un desarrollo social, cultural y económico, para quitar las tasas altas de mortalidad, creciendo así las infraestructuras necesarias para la población. Para suministrar agua a las comunidades, se hace de manera especial la construcción de obras hidráulicas (Bocatomas) para captar las aguas, la desarenacion (con desarenadores), las plantas de tratamiento (para purificar el agua), las recolecciones de agua (por tubería) y la distribución de las aguas tratadas en las respectivas localidades. De igual manera se hace necesaria la recolección de las aguas ya utilizadas (para la comida, aseo, etc.) en las obras de Alcantarillado. Esto se hace proyectando una gran red de colectores, y obras de complementarias (pozos de inspección, cámaras de caída), cajas etc. Para luego verterlas a un cuerpo receptor.

23

1.1 REPRESENTACION DE UN MODELO DE ACUAEDUCTO JUNTO CON UN ALCANTARILLADO

BOCATOMA

PLANTA DE TRATAMIENTO

DESARENERADOR

TANQUES

DISTRIBUCION DEL AGUA

CONDUCCION RECOLECCION DE AGUAS USADAS

VERTIENTE

CONDUCCION AGUAS ABAJO DE LA BOCATOMA

PLANTAS DE AGUAS RESIDUALES (TRATAMIENTO)

FIG 1

1.2 PERIODO DE DISEÑO Es el lapso en años para el futuro, para el cual se diseñan las obras de acueducto y alcantarillado. En este periodo influyen:

24

a) La rata de crecimiento de la población. b) c) d) e) f)

Posibles variaciones del poder adquisitivo de la moneda Vida probable de las estructuras. Facilidad de ampliación de las obras. Funcionamiento de las obras en los primeros años. Perfeccionamiento de los equipos.

Los periodos de Diseño fluctúan entre los 5 y los 100 años.

TABLA 1 CLASE

VIDA PROBABLE (años)

Tuberías de acueducto Acometidas Tuberías de alcantarillado Medidores Pozos profundos Vehículos Maquinaria y equipos Presas y grandes conducciones PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Con crecimiento bajo Con crecimiento alto

25-35 12-22 40-50 6-16 12-32 6 12-23 25-50

20-25 10-15

1.3 VOLUMEN DE AGUA La base para el diseño de las obras de acueducto, se basa en la cantidad de agua potable que le deba suministrar a la comunidad. Lo anterior debido a que los sistemas de acueducto y alcantarillado se construyen a veces con obras pequeñas y a veces grandes, tales como represas (embalses), conducciones (tuberías y canales), plantas de tratamiento (desinfección del agua), tanques de almacenamiento (para aprovisionamiento y reserva de agua), desarenadores (para decantar arenas y sólidos en suspensión). Entonces los diseños deberán satisfacer todas las necesidades de la población 25

Esto requiere el estudio de: b) Usos del agua c) Hidrologia (Estudio hidrológico de la región), con las áreas aferentes, cuencas hidrográficas, cálculo de las escorrentías superficiales y subterráneas. d) Estudio del ciclo hidrológico. e) Estudio de la evaporación de los cuerpos de agua. f) Estudio de la transpiración de las plantas. g) Estudio y calculo de la evapotranspiracion. h) Estudios metereologicos (lluvias, vientos, temperaturas, etc.) i) Periodo de diseño. j) Población de diseño.

Antes de analizar cada componente y su Interpretación en el conjunto, es conveniente establecer y analizar aquellas características que conforman los criterios de diseño: a) b) c) d)

Cifras de consumo de agua Periodos de diseño y vida útil de las estructuras. Variaciones periódicas de los consumos: Clases de tuberías y materiales a utilizar.

1.4 GLOSARIO DE TERMINOS

Agua potable:

Agua apta para el consumo humano.

Agua residual:

Agua servida o utilizada.

Agua Polucionada:

Agua negra sin tratar.

PH:

Potencial de Hidrogeno.

Evaporación:

Cantidad de agua que se evapora por el calor.

Transpiración:

Cantidad de agua expulsada por las plantas.

26

Evapotranspiracion:

Es la suma de la evaporación ya la transpiración.

Desarenador:

Tanque construido con el propósito de sedimentar partículas en suspensión por gravedad.

Línea divisoria de aguas: Línea que demarca el área de drenaje en la cuenca hidrográfica. Cuenca hidrográfica:

Porción de terreno que aporta escorrentía a una vertiente.

Escorrentía superficial: Cantidad de agua que corre por la superficie del terreno. Escorrentía subterránea: Cantidad de agua que se infiltra hacia grandes profundidades y luego escurre hacia un cuerpo de agua (río). RDE:

Relación del Diámetro Espesor en tubería.

Periodo de diseño:

Lapso en años para el cual se diseñan las obras.

Cámara de caída:

Tubería colocada antes de la llegada al pozo de inspección.

Pendiente:

Cambio de perfil del terreno.

Ciclo: Pluviométrica:

Que se repite varias veces. Estudio y calculo de las lluvias.

Hidrometría:

Estudio y calculo de las vertientes de agua.

Pozo de inspección:

Estructura cilíndrica o tronco cónicas para hacer la limpieza de las obras de aguas negras y para cambiar de dirección los colectores.

Cota:

Se refiere a un altura.

Cota clave:

Cota superior por encima de la tubería.

Cota batea:

Cota inferior por debajo de la tubería.

27

Densidad de población: Numero de personas que habitan una extensión de terreno. Litr./hab./día:

Litros por habitantes por día.

Alcantarillados de aguas negras:

Conjunto de obras que evacuan aguas de desecho (aguas negras).

Alcantarillado pluvial:

Conjunto de obras que evacuan agua lluvias.

LP:

Línea piezometrica. (p/

)

LET:

Línea de energías totales. (p/

+v²/2g)

Rapidez de flujo de volumen:

Cantidad de fluido que pasa por una sección durante un segundo, un minuto o una hora.

Rapidez de flujo de masa:

Cantidad de masa que pasa por una sección durante un tiempo determinado.

Rapidez de flujo de peso:

Cantidad de peso de fluido que pasa por una sección en un tiempo determinado.

Rodete:

Elemento transmisor de energía, consta de varios alabes.

Bocatoma:

Estructura que deriva el caudal de diseño o sea el caudal máximo de diseño.

Vertedero:

Estructura hidráulica caudal en un canal.

28

que

mide

el

Parshall:

Dispositivo que permite la medición del caudal en canales.

Consumo:

Volumen de agua utilizado por una persona en un día.

Galería de infiltración:

Sistema de intercepción de aguas subterráneas que fluyen hacia un río o un lago. Terreno pantanoso donde por efectos del nivel freático el agua se mantiene muy superficial.

Cienaga:

Red de distribución:

Conjunto de tuberías que suministran agua potable a los consumidores.

Cisterna:

Son sistemas de recolección almacenamiento de aguas lluvias.

Manantial:

Afloramiento subterránea.

Obra de captación:

Estructura utilizada pata captación de aguas.

Poliomielitis:

Parálisis infantil.

Filtro:

Dispositivo que retiene materiales.

Caudal de diseño:

Caudal con el cual se diseñan las obras de acueducto..

Correntometros o molinetes:

Equipos utilizados para medir la velocidad de la corriente d agua en una sección.

Aforar:

Es una medición del caudal en una corriente de agua.

Limnimetro:

Miras graduales, que miden los niveles en una corriente.

29

superficial

de

y

agua

Bomba hidráulica:

Maquina hidráulica transformar energía.

Tubería de succión:

Tubería que va del pozo a la bomba.

Tubería de impulsión:

Tubería que sale de la bomba conduce el fluido.

Altura estática de succión:

Distancia entre el nivel del agua en el pozo húmedo y el eje de la bomba. Es la diferencia entre el nivel de descarga de la bomba y el eje del rotor.

Altura estática de impulsión:

capaz

de

y

Altura de velocidad (v²/2g):

Energía cinética del fluido en cualquier punto del sistema.

Altura de presión ( P/

):

Energía de presión del fluido cualquier punto del sistema.

Altura de pérdidas menores:

Altura de agua adicional para vencer las perdidas debidas a los accesorios (codos, llaves, válvulas, etc.)

Altura dinámica total:

Altura total contra la cual debe trabajar la bomba.

en

Presión relativa o manométrica (Pm): Presión causada por el fluido. Presión barométrica (Pb):

Presión atmosférica del lugar.

Presión absoluta (Pab):

Suma de la manométrica y barométrica de un lugar.

Psi:

Presión en el sistema ingles ( libra fuerza por pulgada cuadrada, lib/plg²)

Pa:

Presión en Pascales (Newton/m²)

KPa:

Kilo pascal.

Rpm:

Revoluciones por minuto, velocidad angular.

30

Coladera:

Malla que impide la entrada de cuerpos extraños que puedan dañar la bomba.

INSFOPAL:

Instituto de Fomento Municipal.

Profundidad Hidráulica (H):

Área de flujo (área mojada) dividida por el ancho de la superficie libre.

Válvula de Retención:

Permite el paso del agua en la dirección del bombeo y evita el flujo inverso. Facilita trabajos de reparación y limpieza de la válvula de retención.

Válvula de cortina:

Canal:

Estructura hidráulica que conduce agua a flujo libre.

Radio hidráulico:

Dimensión característica, es la relación entre le área mojada y el perímetro mojado.

Período de retención hidráulica:

Tiempo que tarda una partícula de agua en entrar y salir del tanque, comprendido entre 0.5 y 4 horas.

Peso especifico (

):

Propiedad de un fluido, dado por kgf/m³.

Densidad absoluta (ρ):

Propiedad de un fluido, dado por kgm/m³.

Viscosidad:

Propiedad de un fluido, que se opone al movimiento del mismo.

Densidad relativa:

Es una relación entre el peso específico de un fluido y el peso específico del agua a 4º C, es adimensional.

Válvula de Purga:

Son válvulas que facilitan las labores de limpieza de la tubería de conducción, colocadas en las partes bajas.

31

Ventosas:

Válvulas de expulsión o admisión de aire de funcionamiento automático, ubicados en los puntos altos de la conducción.

Codo:

Accesorio que permite el cambio de dirección en una conducción.

Anclaje:

Muro que sostiene la tubería en una curva. Efecto de choque violento o sobre presión súbita, sobre las paredes del conducto por le cierre repentino de una válvula.

Golpe de Ariete:

Celeridad (C):

Es una velocidad.

Hidrante:

Aparato que provee agua en caso de incendio.

Emisario final:

Conduce todo el caudal de aguas residuales o lluvias a su punto de entrega.

Tratamiento convencional:

Para potabilizar agua los siguientes procesos y operaciones: coagulación, floculación, sedimentación, filtración y desinfección.

Vertimiento líquido:

Es cualquier descarga liquida hecha a un cuerpo de agua o a un alcantarillado.

Lodo:

Es la suspensión de un sólido en un líquido proveniente del tratamiento de aguas, residuos líquidos u otros similares.

Toxicidad:

Propiedad que tiene una sustancia, elemento o compuesto de causar daños a la salud humana o la muerte a organismos vivos.

32

Agua cruda:

Es aquella que no ha sido sometida a procesos de tratamiento.

Contaminación del agua:

Es la polución de esta que produce o puede producir enfermedades o la muerte al consumidor.

Análisis físico-químico del agua:

Es aquel que se efectúa para determinar la presencia tipo y cantidad de bacterias.

Muestra instantánea de agua:

Es la tomada en el lugar representativo, en un determinado momento.

Escherichia Coli (E-Coli, coli fecal): Bacilo gramnepatido, que no forma esporas que fermenta la lactosa con producción de acido y de grasa a 44.5º C. Norma de calidad del agua:

Valor admisible o deseable. Establecido para algunas características presentes en el agua.

Tratamiento:

Conjunto d operaciones y procesos unitarios que se realizan sobre el agua cruda para modificar sus características físicas, químicas y bacteriológicas.

Sistema de suministro de agua:

Comprende las obras, equipos y materiales empleados para la conducción, tratamiento, almacenamiento y distribución del agua para el consumo humano desde la fuente hasta la entrega al usuario.

Fuente de abastecimiento:

Es todo recurso de agua susceptible de ser utilizado por un sistema de suministro de agua.

33

Planta de Tratamiento:

Conjunto de obras, equipos y materiales necesarios para efectuar los procesos y operaciones unitarias que permitan obtener agua potable.

Per cápita:

Por cabeza, por individuo.

1.5 CARACTERISITCAS DEL AGUA POTABLE, ENFERMEDADES DE ORIGEN HIDRICO. El agua para consumo humano debe cumplir: 1) Que sea saludable 2) Que sea agradable Ser saludable, es decir: a) No contaminada b) Libre de materias toxicas o venenosas. c) Libre de cantidades excesivas de minerales y materia orgánica. Casos en el que el agua puede ser toxica

a) Por contaminantes naturales como: arsénico, boro, fluor (en altas proporciones) b) Contaminantes de origen vegetal, como: plantas toxicas y acuáticas (en sitios pantanosos). c) Contaminación adquirida: por estructuras mismas de acueducto. d) Contaminantes por descarga de residuos industriales en las fuentes de captación.

1.6 Aguas Agradables:

34

Para que el agua sea agradable debe tener ciertas características como: a) La turbiedad:

Depende o es causada por las materias orgánicas en suspensión, como: arcillas, limos, arenas finas, materia coloidal, etc.).

b) El color:

No produce daños al organismo, es producida por el oxido del hierro.

c) Olores:

Producidos por la materia orgánica que se disuelve en el agua, ej.:el fenol que es toxico. Sabor: el cloro produce sabor pero no es perjudicial.

d) Temperatura:

No se puede controlar, la temperatura ideal para el usuario es de 15º C

Para controlar la turbiedad, el color, el sabor, se debe tener en cuenta: a) La coagulación. b) La sedimentación. c) La filtración.

1.7 Ingeniería Sanitaria: Conjunto de obras ligadas que la ser aplicadas guardan estrecha relación con la higiene publica. Se debe amoldar el medio al hombre, por medio de acueductos, alcantarillados, disposición de aguas usadas. También se debe amoldar el hombre al medio teniendo en cuenta: a) Vacunas preventivas. b) Medidas preventivas de salud. El hombre utiliza el recurso del agua y la toma del ciclo hidrológico, así:

35

PRECIPITACION EN FORMA DE LLUVIA

EVAPORACION EVAPORACION EVAPORACION

RIO

INFILTRACION

LAGO

MAR

CORRIENTE SUBTERRANEA

ESTRACTO IMPERMEABLE

FIG. 2 1.8 Dureza del agua: Es producida por bicarbonatos de aluminio o de magnesio, una característica de la aguas duras “es que los alimentos que se cocinan con ellas duran mucho para cocinarse y hay mas gasto de energía, otra característica es que los recipientes donde la contienen al poco tiempo resultan perforados o corroídos. La dureza del agua se mide en miligr./litro. El agua para consumo debe tener 0.2 miligr./litro de dureza.

36

1.9 Acidez y alcalinidad del agua: Estas se miden por el PH (potencial de Hidrogeno), o sea la concentración del Ion hidrogeno en el agua. El agua buena esta entre 6.3 y 7.5 de PH. La acidez va de 0 a 7 de PH. La alcalinidad de 7 a 14 de PH.

14

7

0

Alcalinidad

PH (neutro)

Acidez

La acidez se produce por acido carbónico. Las aguas acidas son corrosivas y acaban con las Tuberías. La alcalinidad se produce por bicarbonatos de aluminio e hidróxidos sodio y de potasio. El control de alcalinidad y acidez se controla con la “cal” que hace tender el agua a su punto neutro. “Las aguas duras” son las que tienen Hg, Ca, Fe y Al. El agua con poco yodo y fluor no es muy recomendable para el organismo.

37

La materia orgánica no es nociva al organismo, pero le causa olor y color desagradables al agua.

1.10 ENFERMEDADES CAUSADAS POR AGUAS CONTAMINADAS

1) El cólera; producido por la bacteria “Vibrio Comma”. 2) Disentería amebiana: Producida por el protozoo unicelular “Entamoeba Histolica” 3) Parálisis Infantil: Producida por el virus de la poliomielitis, que ataca el sistema nervioso. 4) Dolor estomacal y diarrea (Ecoli-Colifecal): Producida por la entamoeba Coli. 5) Amebiasis: Producida por protozoos. 6) Virus: Enfermedades tales como la hepatitis. 7) Fiebre Tifoidea: Producida por el bacilo Eberth. 8) Parasitismo intestinal: Virus. 9) Gastroenteritis: Microorganismos. 10) Hepatitis infecciosa: Virus. 11) Disentería bacilar: Genero Shigelia. El cólera, de 1 a 4 micrones de largo y 0.2 a 0.4 micrones de diámetro, su periodo de vida en aguas residuales es muy corto, pero en agua naturales no contaminadas es de 1 a 2 semanas y puede llegar hasta 1 mes según sea la calidad del agua, enfermedad infectocontagiosa por lo común endémica, se adquiere por la ingestión de comida o agua, periodo de incubación típico de 3 días.

38

La disentería amebiana llamada también amebiasis o colitis amebiana es causada por el protozoo unicelular Entamoeba Histolica, el cual agrupado en quistes es muy resistente. Se adquiere al ingerir alimentos contaminados o agua contaminada, su periodo de incubación es de 1 a 3 días pero puede llegar a 4 semanas. La parálisis infantil, llanada también poliomielitis, causada por el virus de la poliomielitis . Este tipo de virus es bastante resistente pero puede ser inactivado con una dosis de 0.05 mg/L de cloro libre (en ausencia de materia orgánica). El virus ataca el sistema nervioso central y causa la parálisis de las extremidades inferiores. Generalmente ataca la población infantil (1 a 16 años). El periodo de incubación es de 1 a 2 semanas.

Las medidas preventivas son las mismas para todas las enfermedades:

a) Suministro de aguas potables (por los acueductos) con calidad química y bacteriológica. b) Adecuada disposición de excretas (materia fecal) por medio de alcantarillados. c) Limpieza de alimentos y pasteurización de la leche. d) Control permanente de la calidad del agua. e) Educación del público, de higiene personal y jornadas de vacunación.

39

1.11 BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA Bibliografía consultada para la elaboración de esta unidad: titulo Elementos de diseño para acueductos y alcantarillados Curso de abastecimiento de agua para poblaciones Acueductos Teoría y diseño Diseño de acueductos y alcantarillados Auxiliar para diseño y construcción de alcantarillados Diseño básico de acueductos y alcantarillados Legislación ambiental, decreto 2105/83, calidad y potabilizacion del agua. Ley 142/94, servicios públicos domiciliarios.

Autor

Editorial

Edición

Tipo

López Cualla Escuela Ricardo A. Colombiana de Ingeniería

Primera Edición

Castilla, A.R.

Universidad de la Salle

Segunda Consulta edición, 1984

Corcho Freddy

Universidad de Medellín

Segunda Consulta edición, 1993

Silva G. Luis Universidad Felipe Javeriana

Segunda Consulta edición, 1978

Pérez Carmona Rafael

Escala

Primera, 1978

Arturo, Lauro Horacio

Universidad Nacional, Bogota

Ministerio Prensa del Medio Oficial Ambiente

40

Consulta

Consulta

Consulta

1977

Consulta

1.12 Autoevaluacion: UNIDAD I

1) Explique el ciclo hidrológico, ayudado de un esquema. 2) Defina brevemente: a. b. c. d. e. f. g. h. i. j.

Evaporación Evapotranspiracion Agua potable Desarenador Escorrentía superficial Cota batea Cota clave RDE Agua polucionada Hidrante

3) ¿Qué virus produce la poliomelitis? 4) ¿Qué protozoo produce la disentería amebiana?. 5) ¿Qué estructuras conforman un acueducto?.

41

CAPITULO 2 UNIDAD 2: CRITERIOS BASICOS PARA EL DISEÑO

OBJETIVO GENERAL Reconocer que las ciencias técnicas aplicadas a la distribución y uso del agua engloban también su tratamiento. Identifica también como aprender los criterios de cálculo de población y sus diferentes métodos para que el estudiante tenga un amplio conocimiento de estos

42

OBJETIVOS ESPECÍFICOS Tener un concepto claro de los criterios para el diseño de un acueducto Aprender a calcular la población de diseño con cualquiera de los métodos expuestos Aprender el periodo de visa útil de un acueducto Entender y aprender el proceso comparativo del cálculo de población de diseño por el método de comparación grafica

43

INTRODUCCION

Al iniciar el planteamiento de un programa de acueducto es necesario establecer y analizar las características que conforman los criterios de diseño: - Disponibilidad en cantidad y calidad de agua que se suministra por el acueducto, es la base del diseño de las estructuras hidráulicas, esto hace necesario el estudio de factores tales como: a) b) c) d) e) f) g) h) i) j)

Uso del agua Hidrologia de diseño Población de diseño Periodo de diseño y vida probable de las estructuras Área de diseño Usos e inversión del capital Disponibilidad en cantidad y calidad del agua Estadística de consumo de agua en las localidades Variación periódica de los consumos Calidad de los materiales a utilizar en las obras.

USOS DEL AGUA: Determinar si es para uso: domestico, industrial, público o institucional, ya que cada uso de estos tiene una demanda diferente.

2.1 HIDROLOGIA DE DISEÑO

Se hace necesario el estudio hidrológico de la cuenca hidrográfica de donde vamos a tomar la captación de agua y el estudio de los aportes de agua de las áreas aferentes o áreas de drenaje que alimentan la vertiente seleccionada.

44

2.2 POBLACION DE DISEÑO

a) Estudio de población: El tamaño de un sistema de abastecimiento depende de diversos factores tales como: el periodo de diseño, la rata de crecimiento poblacional, la capacidad de endeudamiento de la entidad que va a construir y administrar las obras. El periodo de diseño a la vez esta condicionado entre otros por el crecimiento poblacional.

Para estudiar la población futura es necesario estudiar las características sociales, culturales y económicas de sus habitantes en el pasado y en el futuro. El numero de habitantes de una localidad puede crecer por nacimientos e inmigraciones, también decrece por muertes y emigraciones. El problema del numero de habitantes futuros esta sujeto a cierto numero de variables difíciles de predecir, por lo tanto solo puede determinarse de una manera aproximada. La base de cualquier tipo de proyección de la población son los censos. En Colombia se disponen de los censos de julio 5 de 1938, mayo 9 de 1951, julio 15 de 1964, octubre 15 de 1985 y censo del año 2005. La selección del método de proyección de la población depende de la cantidad de datos disponibles. Los métodos mas frecuentemente utilizados son: b) CRECIMIENTO GEOMETRICO (rata de crecimiento a porcentaje uniforme) Este se presenta cuando el aumento de la población es proporcional al tamaño de esta. Se usa el mismo método que en el interés compuesto: Sea

Pf= población futura Tf=años de la proyección en el futuro Tuc= año del ultimo censo

45

Puc= Población ultimo censo.

(Tf-Tuc) Pf= Puc ( 1+r)

Donde r= tasa o rata de crecimiento anual. NOTA: Esta formula se compara con la de interés compuesto utilizada en matemáticas financiera:

n M= C(1+r)

M= monto o capital acumulado C=capital prestado r= tasa de crecimiento anual, (r=it; i=r/t) n=numero de años Tomando logaritmos de ambos lados, se tiene: Ln Pf= Ln(Puc)+(Tf-Tuc)Ln(1+r)

(1)

Ln (1+r)= (Ln Pf- Ln (Puc))/(TF-Tuc)

Si se reemplazan los valores del ultimo censo y del censo inicial, se obtiene una tasa de crecimiento anual así:

Ln (1+r)= (Ln Puc- Ln (Pci))/(Tuc-Tci)

46

Una vez calculado Ln (1+r), entonces reemplazamos en la ecuación (1) para tener la población final o la proyección de la población. También podemos tener las siguientes ecuaciones: dp/dt=rp Separando términos se tiene: dp/p=r dt Integrando P

∫ (dp/p)= ∫ P1

n

P

r dt; 0

Ln P]

n = rt ]

P1

0

Ln (P) –Ln (P1) = r(n) Ln (P/P1)= rn rn (P/P1)= e

rn P=P1 e

P= población futura o proyectada P1= Población inicial e= numero de Euler=2.717 r=tasa de crecimiento anual n= numero de años

Si escribimos rn e

n = (1+r)

47

rn Ln e= n Ln (1+r) r= Ln (1+r) rn n Luego e = (1+r) n Finalmente P=P1(1+r)

c) Método de crecimiento aritmético

Cuando el crecimiento de la población es constante e independiente del tamaño de esta, el crecimiento es aritmético o lineal. Este método requiere que la población aumente con una rata constante, es decir que a la población actual del ultimo censo se le adicione un numero fijo de habitantes por cada periodo en el futuro. Gráficamente se representa por una grafica lineal. Este método es aplicable a pequeñas localidades, en especial rurales y ciudades grandes con crecimiento muy estabilizado y que posean áreas de desarrollo futuro casi nulas. Supone un crecimiento vegetativo balanceado por la mortalidad y la emigración. La ecuación es: dP/dt=Ko dP= Ko dt Integrando ambos términos:

∫ dP= Ko ∫ dt P1

t1

P] = Ko [t] Po to P1-Po = Ko [t1-to] Ko= (P1-Po)/(t1-to) Ko= (P1-Po)/m 48

m= periodo intercensal to= año correspondiente al censo Po Ko= Constante o rata de crecimiento aritmético t1= año correspondiente al censo P1

Entonces la población final al periodo de diseño, es:

P= P1+n[(P1-Po)/m] n= Periodo comprendido entre el ultimo censo considerado y el ultimo año del periodo de diseño.

También si llamamos:

P1=Puc Po=Pci t1= Tuc to=Tci P=Pf Tenemos que: Ko= (Puc-Pci)/(Tuc-Tci) Donde

Ko= pendiente de la recta, constante Puc= Población del ultimo censo Tuc= Año del ultimo censo Pci= Población del censo inicial Tci= Año del censo inicial

Luego, la población final (Pf) el periodo de diseño es: Pf= Puc+Ko(Tf-Tuc) Donde

Pf= Población proyectada Tf= año de la población en el futuro.

49

d) Método de la variación logarítmica Es un crecimiento de tipo exponencial. Si se expone la ecuación diferencial: dP/dt=KP Separando términos:

dP/P= K dt P2 t2 ∫ dP/P = K ∫ dt P1 t1 P2 t2 Ln P] = K[t] P1 t1

Ln P2-Ln P1 = K [t2-t1] K= (Ln P2-Ln P1)/(t2-t1)

Haciendo dos periodos de tiempo cualquiera entonces:

K= (Ln Pcp-Ln Pca)/(Tcp-Tca)

Cp= Censo posterior Ca= Censo anterior Finalmente obtenemos la ecuación de la proyección de población:

Ln Pf= Ln Pci+ K (Tf-Tuc)

50

e) Método de la comparación grafica

Este método exige un amplio conocimiento tanto de la población en estudio como de las poblaciones con las cuales se hace la comparación. Luego hacemos una comparación de manera grafica con unas tres poblaciones con determinadas características. Es necesario que las poblaciones escogidas hayan alcanzado en años anteriores la población actual de la ciudad en estudio y es absolutamente indispensable que la tendencia de crecimiento de la ciudad en estudio sea similar a la de aquellas por razones económicas, sociales, geográficas y políticas. Operando con poblaciones de las siguientes características tenemos: Población I: Es la ciudad que vamos a trabajar o estudiar. Población II: Es una ciudad localizada en la misma región pero que tiene similitud con la población I, en tamaño, clima, costumbres, comercio, etc. Población III: Es una ciudad que esta en la misma región con igual similitud, pero con un mayor numero de habitantes respecto a la ciudad I Población IV: Es una ciudad de otra región de la misma nación (país), pero que supera en habitantes a la población I. Entonces se procede así: Es un sistema coordenado tomando los años por las abscisas y la población por las ordenadas, se dibujan las graficas correspondientes de las poblaciones respecto de las cuales se va a comparar incluyendo la grafica d la población I. Desplazamos luego paralelamente hasta el último censo la población I, cada una de las graficas de crecimiento de las poblaciones II, III, IV.

51

Finalmente tomamos como población I, el promedio de los valores de las poblaciones de las 3 graficas desplazadas y prolongadas.

f) Ejemplo: Los datos de población para una ciudad son: Año 1985= 30000 hab Año 1995= 50000 hab Calcular la población para el año 2005 por el método aritmético.

Llamando

Tci= 1985, Tf= 2005= año de proyección Tuc= 1995 Pci= 30000 hab Puc= 50000 hab Tf= 2005= año de la proyección

Ko= (Puc-Pci)/(Tuc-Tci) Ko= (50000-30000)/(1995-1985) Ko=20000/10 Ko= 2000

Aplicando

Pf= Puc+Ko(Tf-Tuc) Pf= 50000+2000(2005-1995) Pf= 50000+20000 Pf= 70000 hab, población para el 2005

Si resolvemos el anterior problema por el método geométrico, se tiene:

52

Ln (1+r)= (Ln Puc-Ln Pci)/(Tuc-Tci) Ln (1+r)= (Ln 50000-Ln 30000)/(1995-1985) Ln (1+r)= (10.819778-10.308952)/10 Ln (1+r)= 0.510825/10 Ln (1+r)= 0.0513825

Reemplazando este valor en la ecuación

Ln (Pf)= Ln (Puc)+(Tf-Tuc)* Ln (1+r) Tenemos:

Ln (Pf)= Ln 50000+(2005-1995)*0.0510825 Ln (Pf)= 10.819778+0.510825 Ln(Pf)=11.330603 Pf= ant Ln (11.330603) Pf= 83333 Hab Podemos promediar estos dos cálculos para mayor aproximación, entonces:

Pf= (70000+83333)/2 Pf= 76667 Hab, población para el año 2005

Ejemplo: Resolver aplicando el método logarítmico, la población futura de los siguientes datos:

53

Año: 1983; 35000 hab

Año: 1995; 48000 hab Calcular la población para el año 2008

K= (Ln Pcp-Ln Pca)/(Tcp-Tca) K= (Ln 48000-Ln 35000)/(1995-1983) K=(10.778956-10.463103)/12 K= 0.315853/12 K= 0.026321 ▲

Ln (Pf)= Ln Pci+ K (Tf-Tuc) Ln (Pf)= Ln 35000+0.026321 (2008-1995) Ln (Pf)= 10.463103+0.023321 (13) Ln (Pf)= 10.463103+0.342173 Ln (Pf)= 10.805276

Pf= 49280 hab, población para el 2008.

Ejemplo:

Calcular aplicando el método aritmético Año del censo

Pci

Octubre 24/1973

37362 hab

Puc

Octubre 12/1985

48300 hab

Calcular la población en Junio 30 de 2012

54

AÑO

MES

DIA

1985

10

12 --  1984

22

12 -  1984 21

1973

10

24 -- 

10

24  1973 10 24 -----------------------

Entonces tendremos 11 días=11.9834 años

1973

años+

11 11 18 11 meses+18 días; o sea: 11+354

Tci= 24 oct/1973, Tf= junio 30/2012 Tuc= 12 oct/1985 Pci= 37362 hab Puc= 48300 Hab

Ko= (Puc-Pci)/(Tuc-Tci) Ko= (48300-37362)/11.9834 Ko=912.762655 Entonces:

Pf= Puc+Ko(Tf-Tuc) Calculamos Tf-Tuc, asi:

2012 1985

06 10

30-  12- 

42

2011 18 30 1985 10 12 -- ----------------------------------------26 8 18

26 años+262 dias= 26.72778 años Explicación: Son 26 años, 8 meses y 18 días Los 8 meses son: 4*30= 120 días 4*31= 124 días -------------55

244 día+18 días= 262 días Luego tenemos: 26 años y 262 días 262/360= 0.72778 años Tiempo total= 26+0.72778=26.72778 años Finalmente Tf-Tuc= 26.72778 años Pf=Puc+Ko(26.727778) Pf=48300+912.762655(26.72778) Pf=48300+24396.12= 72696 hab. Calculando por le método logarítmico se tiene: Ln(1+r)=(Ln 48300-Ln 37362)/(11.9834) Ln (1+r)= (10.78518684-10.5284094)/(11.9834) Ln(1+r)= 0.2567774/11.9834 = 0.0214277 Aplicando la expresión: Ln Pf= Ln 48300+(26.72778))0.0214277) Ln Pf= 10.78518684+0.572715 Ln Pf= 11.3579 Pf= 85639 hab. Población promedio (Pf)= (72696+85639)/2 Pf= 79168 hab. Finalmente tenemos: Pf= 79168 hab, población para junio 30 de 2012. Ejemplo: Resolver por el método de comparación grafica, con los siguientes datos de los censos desde 1938 hasta 2005, haciendo la proyección para 10 años, previendo 2 etapas de 5 años cada una, a partir de la fecha 2006

56

AÑO (CENSOS)

POBLACION

1938 1951 1964 1973 1986 2005

20000 30000 40000 60000 70000 80000 POBLACION EN MILES DE HABITANTES

AÑO

CIUDAD I

CIUDAD II

CIUDAD III

CIUDAD IV

1938 1951 1964 1973 1986 2005

20 30 40 60 70 80

25 38 55 70 80 90

30 45 60 75 85 95

38 50 68 80 95 100

120 100 80

I II

60

III IV

40 20 0 1938

1951

1964

1973

1986

2005

FIG 3

Los resultados obtenidos en las proyecciones de las poblaciones son:

57

POBLACION EN MILES DE HABITANTES LINEAL GEOMETRICO LOGARITMICO

AÑO 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

80896 81791 82687 83582 84478 85373 86269 87164 88060 88955 89851

81630 82294 84992 86724 88491 90295 92135 94013 95729 97884 99879

98936 100874 103268 105718 108227 110795 113425 116115 118870 121691 124578

Como se pide para dos periodos de 5 años cada uno, tenemos el resumen de población asi:

AÑO 2006 2011 2016

POBLACION EN MILES DE HABITANTES GRAFICO LINEAL GEOMET. LOGARIT. 81000 83000 84000

80896 85373 89851

81630 90295 99879

Si calculamos por el método Lineal, se tiene: ▲ Tf= 2006 Tuc= 2005 Tf-Tuc= 1.0 Puc= 80000 Pf= Puc+ko(Tf-Tuc) 58

98536 110795 124578

PROMED. 85516 92407 99577

Pf=80000+ko(1.0) Ko=(Puc-Pci)/(Tuc-Tci) Ko=(80000-20000)/(2005-1938) Ko=60000/67 Ko=895.52

Aplicando la ecuación:

Pf= Puc+Ko(Tf-Tuc) Pf= 80000+895.52(2006-2005) Pf= 80000+895.52(1) Pf=80896 hab. ▲Tf= 2007 Tuc= 2005 Tf-Tuc= 2007-2005= 2 Pf= 80000+895.52(2) Pf= 80000+1791 Pf=81791 hab ▲ Tf= 2008 Tuc= 2005 Tf-Tuc= 2008-2005= 3 Pf= 80000+895.52(3) Pf= 80000+2687 Pf=82687 hab ▲ Tf= 2009 Tuc= 2005 Tf-Tuc= 2009-2005= 4 59

Pf= 80000+895.52(4) Pf=83582 hab. ▲ Tf= 2010 Tuc= 2005 Tf-Tuc= 2010-2005= 5 Pf= 80000+895.52(5) Pf=84478 hab ▲ Tf= 2011 Tuc= 2005 Tf-Tuc= 2011-2005= 6 Pf= 80000+895.52(6) Pf=85373 hab ▲ Tf= 2012 Tuc= 2005 Tf-Tuc= 2012-2005= 7 Pf= 80000+895.52(7) Pf=86269 hab ▲ Tf= 2013 Tuc= 2005 Tf-Tuc= 2013-2005= 8 Pf= 80000+895.52(8) Pf=87164 hab ▲ Tf= 2014 Tuc= 2005

60

Tf-Tuc= 2014-2005= 9 Pf= 80000+895.52(9) Pf=88060 hab ▲ Tf= 2015 Tuc= 2005 Tf-Tuc= 2015-2005= 10 Pf= 80000+895.52(10) Pf=88955 hab

▲ Tf= 2016 Tuc= 2005 Tf-Tuc= 2016-2005= 11 Pf= 80000+895.52(11) Pf=89851 hab Aplicando el método geométrico, se tiene:

Ln Pf= Ln Puc+(Tf-Tuc)Ln (1+r) Tf-Tuc= 2006-2005= 1.0 Ln (1+r)= (Ln Puc-Ln Pci)/(Tf-Tuc) Ln(1+r)=(Ln 80000-Ln 20000)/(2006-1938) Ln(1+r)= (11.289782-9.903488)/68 Ln(1+r)= 0.02038 (1+r)= 1.02038 r= 0.02038

61

(Tf-Tuc) ▲ Pf= Puc (1+r) 1 Pf= 80000(1+0.02038) Pf= 81630 hb ò Ln Pf= Ln Puc+(Tf-Tuc) Ln (1+r) Ln Pf= Ln 80000+(1)(0.02038) Pf= 81630 hab. ▲ Tf-Tuc= 2007-2005=2 Tuc-Tci= 68 r= 0.02038 2 Pf= Puc (1+r) 2 Pf= 80000 (1.02038) Pf= 83294 hab

▲ Tf-Tuc= 2008-2005= 3 Tuc-Tci= 68 r= 0.02038 3 Pf= 80000 (1.02038) Pf= 84992 hab

▲ Tf-Tuc= 2009-2005=4

62

Tuc-Tci= 68 r= 0.02038 4 Pf= 80000 (1.02038) Pf= 86724 hab Y asi sucesivamente.

Aplicando método logarítmico, se tiene: K=(Ln Pcp-Ln Pca)/(Tcp-Tca) K1= (Ln 30000-Ln 20000)/(1951-1938) K1=0.03119 K2= (Ln 40000-Ln 30000)/(1964-1951) K2= 0.022129 K3= (Ln 60000-Ln 40000)/(1973-1964) K3= 0.0450516 Y asi sucesivamente Posteriormente obtenemos el promedio asi:

K(Prom.)=(0.03119+0.022129+0.0450516+0.011858+0.00702795)/5 K(Prom.)=0.0234516

Aplicando la formula: ▲Ln (Pf)= Ln Pci+k(prom)(Tf-Tuc) Ln Pf= Ln 20000+0.0234513(2006-1938) Pf= 98536 hab.

63

▲Tf=2007 Tuc= 1938 2007-1938=69 Ln Pf= Ln 20000+0.0234513(69) Pf= 100874 hab.

▲Tf=2008 Tuc= 1938 2008-1938=70 Ln Pf= Ln 20000+0.0234513(70) Pf= 103268 hab. Y asi sucesivamente. 2.3 Periodo de diseño y vida probable de las estructuras 2.4 Factores de importancia en esta determinación son: 1) Durabilidad o vida útil o probable de las estructuras. Todo material se deteriora con el uso y con el tiempo pero su resistencia a los esfuerzos y daños a los cuales esta sometido es variable. Ejemplo: cuando se habla de tuberías encontramos distintas resistencias al desgaste por erosión, fragilidad, corrosión. Todas las obras que constituyen un sistema de acueducto como son: bocatoma, desarenerador, tuberías, plantas de tratamiento, tanques, accesorios, bombas, etc., tiene resistencia Fìsica variable y entonces hay que analizar la vida útil de cada una de ellas.

VIDA PROBABLE DE ESTRUCTURAS Y EQUIPOS

TABLA 2 Represas y túneles Acometidas Tubería de acueducto Plantas de Tratamiento considerar ampliaciones)

50 a 100 años 10 a 20 años 25 a 30 años 22 a 32 años

(sin

64

Pozos profundos Estaciones de bombeo Estructuras y edificios hormigón y metal

10 a 30 años 10 a 16 años 30 a 50 años

de

2) Facilidades de construcción y posibilidades de ampliación La fijación de un periodo de diseño esta íntimamente ligada a factores económicos. En todo proyecto de abastecimiento de agua es de suma importancia estudiar la posibilidad de proyectar la obra por etapas. Esta condición permite asignar un periodo de diseño para las componentes iniciales menor que el periodo de diseño acumulado, cuando se cumple la ultima etapa. La asignación de un periodo de diseño ajustado a criterios económico estará regido por la dificultad o la facilidad de su construcción. 3) Rata de crecimiento de población de la localidad. Cuando la población es estudio tiene una rata de crecimiento alta se hace necesario proyectar y construir el sistema definitivo en una sola etapa. Las razones de durabilidad y resistencia al desgaste físico es indudable que represente un factor importante para realizar un mejor diseño, adicionalmente de debe hacer las estimaciones de interés y de costo capitalizado para que pueda aprovecharse mas útilmente la inversión hecha. Generalmente los sistemas de abastecimiento se diseñan y construyen para suplir una población mayor que la actual en un futuro. 4) Rata de interés de préstamo para la construcción. Las ciudades y municipios para construir y pagar los contratos de construcción de acueductos recurren a prestamos de los bancos. Si los intereses son bajos se prefiere construir la obra en una sola etapa. Si los intereses son altos se aconseja construir la obra en varias etapas.

65

5) Variaciones del poder adquisitivo de la moneda A mayor inflación menor será el tamaño del proyecto y por ende el periodo de diseño.

6) Funcionamiento de las obras en los primeros años. El sobredimensionamiento de los componentes del sistema ocasiona periodos de diseño altos y un mal funcionamiento de los mismos.

66

2.5 BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA Bibliografía consultada para la elaboración de esta unidad: titulo Elementos de diseño para acueductos y alcantarillados Curso de abastecimiento de agua para poblaciones Acueductos Teoría y diseño Diseño de acueductos y alcantarillados Auxiliar para diseño y construcción de alcantarillados Diseño básico de acueductos y alcantarillados Legislación ambiental, decreto 2105/83, calidad y potabilizacion del agua. Ley 142/94, servicios públicos domiciliarios.

Autor

Editorial

Edición

Tipo

López Cualla Escuela Ricardo A. Colombiana de Ingeniería

Primera Edición

Castilla, A.R.

Universidad de la Salle

Segunda Consulta edición, 1984

Corcho Freddy

Universidad de Medellín

Segunda Consulta edición, 1993

Silva G. Luis Universidad Felipe Javeriana

Segunda Consulta edición, 1978

Pérez Carmona Rafael

Escala

Primera, 1978

Arturo, Lauro Horacio

Universidad Nacional, Bogota

Ministerio Prensa del Medio Oficial Ambiente

67

Consulta

Consulta

Consulta

1977

Consulta

2.6 Autoevaluacion: UNIDAD 2

1) Realice un cuadro diferencial entre el método logarítmico, aritmético y geométrico, para calculo de población futura. 2) Que se entiende por vida probable de una estructura. 3) Resuma los factores de importancia en la determinación del periodo y vida útil de las estructuras. 4) Los datos de una población para una localidad son: Año 1980--  50000 hab. Año 2000-  60000 hab. Determine la población para el año 2005, aplicando método aritmético y geométrico.

5) Que entiende por acidez y por alcalinidad 6) Nombre dos enfermedades de origen hídrico y diga que bacteria la produce.

68

CAPITULO III

UNIDAD 3: OBRAS DE CAPTACION.

OBJETIVO GENERAL: Reconocer que las ciencia técnicas aplicadas a la distribución y uso del agua, engloban también su tratamiento. Identifican cada una de las partes de un acueducto, las obras de captación, su uso, su utilización y ubicación.

69

OBJETIVO ESPECIFICO:

-Que el estudiante diferencie cada una de las obras de captación. -Orientar al estudiante en el diseño de las bocatomas laterales como las de fondo. -Aprender a localizar las bocatomas según el caso. -Aprender al redimensionamiento de las bocatomas de acuerdo al caudal de diseño.

70

INTRODUCCION.

Se conoce con el nombre de obras de captación las estructuras que se colocan directamente sobre las fuentes superficiales o subterráneas que se han seleccionado como económicamente utilizables para surtir una red de acueducto. Las obras de captación en los ríos deben proyectarse en los tramos rectos del río o en la parte exterior de las curvas ( a fin de evitar que la captación se cólmate de sedimentos). El localizar las obras de captación en la parte interior de las curvas tiene los siguientes inconvenientes: a) En las crecientes o avenidas máxima la mayor parte del acarreo (sedimentos, hojas) queda depositado en la parte interior de la curva (por que allí la velocidad de flujo es menor). b) El hecho que el cauce se profundiza (aumente de nivel) en el lado exterior de las curvas y cuando se presentan los niveles mínimos se aleja el nivel del agua de la orilla interior, quedando en seco la obra da captación (Bocatoma lateral).

71

RIO

OBRA DE CAPTACION (BOCATOMA)

BOCATOMA EN TRAMO RECTO DEL RIO

FIG. 4 OBRA DE CAPTACION EN CURVA (BOCATOMA)

RIO

SEDIMENTOS

FIG. 5

BOCATOMA EN TRAMO CURVO DE RIO

72

3.1 FACTORES QUE DEBEN TENERSE EN CUENTA EN LA LOCALIZACION DE LAS OBRAS DE CAPTACION:

1) Normalmente las aguas captadas se conducen a uno o varios tanques localizados ya sea dentro de la ciudad o en sus proximidades. 2) Otro aspecto importante que debe tenerse en cuenta al estudiar la localización de las obras de captación es el de la inspección de la cuenca hidrográfica desde el punto de vista sanitario, para constatar que aguas arriba del sitio escogido no caigan agua negras (de alcantarillado) o cualquier otra fuente de contaminación, tales como residuos industriales, de fabrica, etc. Se debe tomar muestras de agua para efectuar análisis fisico-quimicos y bacteriológicos, para constatar que el agua no contiene sustancias nocivas a la salud, y determinar el grado de contaminación bacterial. 3) Otro aspecto es elaborar trabajos topográficos para las obras de captación en el sitio escogido, se deben elaborar las curvas de nivel. 4) Se debe elaborar un perfil transversal del río y zonas contiguas, en el cual se indican los niveles máximos y mínimos del río. Y el perfil longitudinal del lecho del río. 3.2 CLASES DE BOCATOMAS Bocatoma o captación lateral: Este tipo de captación es apropiado para captar en ríos importantes. Utilizada cuando la fuente de aprovechamiento posee un caudal muy grande y el ancho del río es considerablemente ancho. La estructura debe quedar a una altura conveniente del fondo, ubicada al final de las curvas, en la orilla exterior y protegidos de la erosión y socavación. Para un buen diseño es necesario estudiar el comportamiento hidrológico de la corriente (estudio de las cuencas hidrográficas y de las áreas aferentes o de drenaje hacia la corriente), determinar los gastos máximos y mínimos y la curva de gastos (Curva de duración de caudales naturales).

73

Se debe hacer el estudio de las máximas crecientes (avenidas) para poder asegurar una debida protección de las estructuras. La información de los gastos mínimos garantiza la selección de un caudal a captar, adecuados a los niveles mínimos de la corriente. Este tipo de captación es frecuente cuando la conducción se va a efectuar mediante una estación de bombeo, ya que seria necesario proyectar la salida a un nivel bastante bajo, teniendo en cuenta los niveles mínimos del río.

VARIANTE DE LA CAPTACION DE FONDO

FIG. 6

74

A

BOMBA

BOMBA

PLANTA

RIO

A FIG. 7

75

MAX.

MIN.

ESQUEMA DE BOCATOMA LATERAL

CORTE AA’

FIG. 8 En caso de que sea necesario que la conducción se haga por gravedad, no por bombeo, se proyecta un sistema de compuertas de cualquier tipo, ya sea de tablero (compuerta plana) o curva (de sector) etc. Para elevar el nivel del agua manteniéndolo a una altura o cota de superficie constante.

76

A

COMPUERTAS

REJA

A

DESARENERADOR

PLANTA

FIG. 9 La derivación forma con el eje del río un ángulo entre 30º y 45º y a la entrada se dispone de una reja que impide la entrada de material grueso y flotante. El nivel de la derivación se proyecta a una altura superior a la del fondo del río, con el fin de evitar la entrada de material de arrastre proveniente del lecho del río. Después de la reja (enseguida) se dispone de un espacio para procurar que la gravilla y arena gruesa se sedimente en este espacio. Al extremo del desarenerador al arranque del canal de conducción o de la tubería, según sea el caso, se proyecta una compuerta que permite interrumpir el flujo en caso necesario.

77

2) Bocatoma con muro transversal: Se emplea para pequeñas poblaciones y quebradas en las épocas de verano (ríos de cauce perenne), el espesor de la lamina de agua (H) es muy pequeño, lo cual dificulta la derivación para el acueducto. La idea es de formar aguas arriba in pequeño lago artificial o embalse, mediante la construcción de un muro transversal de una altura suficiente para Elvira la altura de la lamina de agua suficiente para la derivación del caudal y provisto de compuerta de desagüe.

CAMARA DE RECOLECCION MURO PROTECCION REJILLA TUBERIA DE CONDUCCION COMPUERTA

PRESA

TUBERIA DE EXCESOS

PLANTA

FIG. 10

78

REJILLA TRANSVERSAL

PRESA

CORTE LONGITUDINAL

FIG. 11 Una ventaja de esta bocatoma es que cuando la corriente arrastra mucho material ( en época de lluvias), este se deposita en el pie del muro transversal llegando a tapar completamente la rejilla y el desagüe.

3) Bocatoma lateral con bombeo: Empleadas en los ríos con caudales grandes y sección ancha. El numero de bombeo como mínimo son dos, de manera que una de ellas este en reserva. La rejilla tiene el objeto de evitar el paso de elementos grandes que puedan llegar a obstruir la entrada al pozo de succión o la tubería de succión.

79

POZO DE SUCCION BOMBA REJILLA

BOMBA PLANTA

FIG. 12

80

TUBERIA DE SUCCION

BOMBA

REJILLA

VALVULA DE PIE Y COLADERA

COMPUERTA CORTE TRANSVERSAL

FIG. 13

4) Bocatoma mediante sifón invertido Si la topografía lo permite se hace este tipo de toma, proyectando una bomba de vacío en la parte superior para cebar el sifón cuando sea necesario.

81

FIG. 14 Como H es variante, el caudal desviado también seria variable, por lo cual se proyecta una válvula que permita la regulación del caudal. La determinación del diámetro conveniente debe partir de la cabeza H correspondiente al nivel mínimo. Esa cabeza H se debe consumir en las perdidas por entrada, cabeza de velocidad, fricción en la tubería y perdidas menores (por accesorios). En la tubería del sifón se presentan presiones inferiores a la atmosférica y la altura M máx., debe estar fijada por las siguientes condiciones: 1) Por la altura sobre el nivel del mar, a razón de 1,20 m por cada 1000 m. de elevación sobre el nivel del mar. 2) Por posibles variaciones barométricas que puedan estimarse en 0,36 m. (valor de k2). 3) Por la temperatura del agua, se puede tomar el siguiente cuadro: TABLA 3 0ºC 6.2 cm 5ºC 8.9 cm 10ºC 12.9 cm 15ºC 17.4 cm 20ºC 23.8 cm 25ºC 32.2 cm 30ºC 43.1 cm 35ºC 57.2 cm 82

Lo anterior toma un valor k3 4) Perdidas de energía por la entrada, cabeza de velocidad, accesorios y fricción en la tubería, (valor k4). Luego el valor M máximo será: M máx.=10.33 m-(k1+k2+k3+k4) La bomba de vacío debe ser correspondiente para cebar el sifón.

capaz

de

producir

el

vacío

5) Bocatoma con flotador con manguera flexible. Se emplea en captación de caudales pequeños, ya que la manguera flexible reforzada solo se encuentra hasta 8” de diámetro.

83

FIG. 15 6) Bocatoma de bombeo flotante. Se emplea cuando la fluctuación de niveles es muy grande, debe emplearse manguera flexible.

84

FIG. 16

7) Bocatoma deslizante. La estación de bombeo es limitada sobre dos rieles y se sube o baja operando un malacate colocado en la parte superior, debe emplearse manguera flexible.

85

FIG. 17

86

FIG. 18 8) Bocatoma de fondo. El agua es captada a través de una rejilla colocada en la parte superior de un represa (muro). Con dirección en sentido del flujo. El ancho de la presa puede ser igual o menor que el ancho del río. MUROS LATERALES: Son los que encauzan el agua hacia la rejilla su ancho puede ser de 50 a 60 cm. REJILLA: Se coloca sobre el canal de aduccion que se encuentra dentro de la presa. Dimensiones: -Ancho mínimo: 40 cm. -Largo mínimo: 70 cm.

87

Los barrotes van con separación de 6 a 12 cm, y de Ø de ½ a 1”.

CANAL DE ADUCCION: Recibe el agua que pasa por la rejilla y la entrega a la cámara de recolección. Pendiente entre 1% y 3.5%. Sección rectangular o semicircular. CAMARA DE RECOLECCION: Es rectangular, en concreto y con muros de espesor entre 25 y 30 cm. En su interior esta el vertedero de excesos lateral. Que entrega el caudal de excesos al río.

FIG. 19

88

FIG. 20

89

FIG. 21

DISEÑO DE LA PRESA

Se diseña con el Q máx. diario (caudal máximo diario), este debe ser menor que el caudal mínimo del río, en donde queda la captación. Se debe recurrir a medición del caudal por medio de aforos y estudio general hidrológico de la cuenca hidrográfica. Se diseña con: 3/2

Q= 1.84 LH

(Formula de Francis)

La lamina de agua H, se calcula con: 90

3/2

H= (Q/1.84 l) Si el vertedor es de 2 contracciones laterales se debe corregir con: L’=L-0.1Nh n= Numero de contracciones; n= 0 (sin contracción. N= 1 (con 1 contracción) n= 2 (con 2 contracciones) Para calcular la velocidad del agua sobre la rejilla, empleamos:

Vr= Q/(L’H) Rango: debe entrar entre 0.3 m/seg y 3 m/seg.

DISEÑO DE LA CAMARA DE RECOLECCION

Empleamos las expresiones: 2/3

4/7

Xs= 0.36 Vc + 0.60 hc 4/7

3/4

Xi= 0.18 Vc + 0.74 hc L= Xs+0.30 Donde

Xs= es el alcance del filo superior del agua. Xi= es el alcance del filo inferior del agua L= Longitud de la cámara.

La altura H debe cubrir las perdidas por entrada y fricción, debe suponerse 0.60 m.

91

FIG. 22

92

FIG. 23 DISEÑO DEL CAUDAL DE EXCESOS:

La captación máxima de la rejilla se aproxima al caudal a través de un orificio. En la hidráulica se tiene una expresión así: Q(captación)= Cd* A(neta)*√(2gh) Cd= Coeficiente de descarga= 0.3 A(neta)= Área neta de la rejilla. Q(capt)=Caudal a través de la rejilla. H=altura de la alamina de agua sobre la rejilla. (m).

93

El caudal de excesos se calcula así: Q(excesos)= Q(captado)-Q(diseño) Q(excesos)=, es aquel que capta la rejilla. La tubería de excesos debe tener un diámetro mínimo de 6” y con suficiente pendiente.

DISEÑO DE LA REJILLA

FIG. 24 Si los barrotes en la dirección de flujo, el área neta de la rejilla, se obtiene por: A(neta)= a-BN a= separación entre barrotes (m) N= Numero de espacios entre barrotes. B= Ancho del caudal de aduccion.

94

También: b= Diámetro de cada barrote. Relacionando las formulas se tiene: (A neta)= [a/(a+b)]* A(total) (ANETA)= [a/(a+b)]*B*Lr Lr= longitud de la rejilla B= ancho de la rejilla El caudal a través de la rejilla es: Q=KA(neta)Vb K= 0.9 para el flujo paralelo a la sección. Vb= velocidad entre barrotes (máx.=0.2 m/seg.).

DISEÑO DE CANAL DE ADUCCION: Se emplean las expresiones: 2/3

4/7

Xs= 0.36 Vr +0.60 H 4/7

3/4

Xi= 0.18 Vr + 0.74 H B= Xs+0.10 B= ancho del caudal de aduccion.

NIVELES EN EL CANAL DE ADUCCION:

Se emplean las expresiones:

1/2

ho= [2hc²+(hc-iLr/3)²] – 2/3 iLr

95

ho= nivel del agua (aguas arriba) ha= nivel del agua (aguas abajo) hc= profundidad critica i= pendiente del fondo del canal. G=gravedad. Si hay descarga libre en la entrada de la cámara de recolección, entonces: he=hc 1/3

hc= (Q²/(Gb²))

FIG. 25

3.3 Ejemplo de diseño de captación lateral:

96

AREA DE CUENCA

A1= 24050 A2= 14500 A3= 20850 A4= 12350

A5= 36500 A6= 30975 A7= 44000 A8= 22230

A9= 44625 A10= 21525 A11= 31725

AREA TOTAL DE LA CUENCA= 303320 m²

DATOS:

POBLACION DE DISEÑO= 25000 hab. DOTACION MINIMA= 150 lts/hab./dia ANCHO DEL RIO= 5 m PENDIENTA DEL RIO= suave FONDO DEL RIO= 3701.47 msnm NIVEL DE AGUAS MINIMO= 3702.4 msnm NIVEL DE AGUAS MAXIMO= 3710 msnm CAUDAL MINIMO= 2.81 m³/seg. CAUDAL MAXIMO= 45 m³/seg.

SE HA ESCOJIDO UNA BOCATOMA LATERAL POR LAS SIGUIENTES RAZONES: • • • •

EL ANCHO DEL RIO. EL COSTO DE SU CONSTRUCCION. MENOR POSIBILIDAD DE OBSTRUCCION EN LA REJILLA. EL CAUDAL DE DISEÑO (EN LA LINEA DE ADUCCION) ES EL DOBLE DEL CAUDAL MAXIMO DIARIO. SE CAPTARA UN CAUDAL IGUAL A 3 VECES EL CAUDAL MAXIMO DIARIO CON EL NIVEL MINIMO.

Cmd= Pxd/86400 ⇒

Cmd=25000X150/86400

97

Cmd= 43.4 Lts/seg. CMD=K1xCmd ⇒ CMD= 1.4X43.4=

K1= factor según insfopal= 1.4

CMD= 60.76 Lts./Seg. CMH= K1XK2XCMD ⇒

K2=factor según insfopal= 1.7

CMH= 1.4X1.7X60.76= CMH= 103.3 Lts./Seg.

ASI PODEMOS OBTEMER UN CAUDAL DE DISEÑO

CAUDAL DE DISEÑO 3XCMD Q DISEÑO= 3X60.76 QDISEÑO= 182.28 Lts./Seg. ⇒

0.183 m³/seg.

DISEÑO DE LA REJILLA •

REJILLA REDONDA DE DIAMETRO ¾” SEPARADA LIBREMENTE ENTRE SI ¾”, DONDE B= 1.79 PARA VARILLAS CIRCULARES.

•

EL ANGULO DE INCLINACION CON RESPECTO A LA HORIZONTAL SERA DE 70º A FIN DE OBTENER UNA LIMPIEZA MECANICA.

•

EL VERTEDERO LATERAL SE FRONTAL DE CRESTA DELGADA.

98

DISEÑA

COMO

VERTEDEREO

PERDIDAS EN LA REJILLA

USANDO LA EXPRESION DE KINHMMER 4/3

h= Bx (w/b) x hv*sen θ;

w= 3/4”= espesor de la varilla b=3/4” profundidad de la varilla

hv=v²/2g= (0.6)²/(2x9.81)= 0.01835 m. 1”⇒ ⇒ 2.54 cm ¾”⇒ ⇒X

X=1.905 cm ⇒

X=0.01905 m.

4/3 h= 1.79x(0.01905/0.01905) x 0.01835 x sen 70º ⇒

h= 0.03087 m

4 cm

CON FACTOR DE SEGURIDAD DE 3 SE OBTIENE UNA PERDIDA DE: (PARA PREVEER LA OBSTRUCCION EN LA REJILLA Y ACUMULACION FLOTANTE, LAS PERDIDAS SE MULTIPLICAN POR DOS O POR TRES) h= 3x4 cm= 12 cm.

TENIENDO UNA CARGA DE H= 46 cm., O SEA: 3702.4-3701.94 = 0.46 cm. EL NIVEL DE AGUAS DENTRO DE LA CAJA DE DERIVACION ES H-h 46-12=34 cm. POR ENCIMA DE LA CRESTA DEL VERTEDERO.

EL VERTEDERO SE TRABAJA SUMERGIDO POR ESO SE UTILIZA LA FORMULA DE VILLEMONTE:

n 0.385

99

Q=(q1X(1-S )

)

COMO SE REQUIERE QUE LA BOCATOMA CAPTE 0.183 m³/seg., SE CALCULA Q1 Q= 0.183 m³/seg. S=H-PERDIDAS/H=

⇒

S= (0.46 m-0.12 m)/0.46 m

⇒

Q1= Q/((1-0.74

S= 0.74, SUMERGENCIA. n 0.385

Q1= Q/((1-S )

1.5 0.385

)=

)

)

Q1= 0.270 m³/seg.

PARA VERTEDEROS DE PARED DELGADA A FLUJO CONTRACCION SE APLICA LA EXPRESION DE FRANCIS 3/2

Q= 1.84 Lc. H 3/2

Lc= Q1/(1.84x H

) 1.5

Lc= 0.270/(1.84x(0.46) = 0.47 m

PARAMETROS GENERALES

LIMPIEZA MECANICA=

θ= 45º CON LA VERTICAL SE HA TOMADO θ= 70º

VELOCIDAD A TRAVEZ DE LAS REJAS LIMPIAS 100

LIBRE

SIN

MINIMA= 0.75 mts/seg. MAXIMA= 1.0 mts/seg.

TAMAÑO DE LAS VAILLAS

LIMPIEZA MECANICA

ANCHO (mts.) PROFUNDIDAD (mts.) ESPACIAMIENTO ENTRE REJAS (mts.) VELOCIDAD DE APROXIMACION PERDIDA CARGA h1 VALOR MAXIMO EN (cm.)

NUMERO DE ESPACIOS = Lc/ Ø VARILLA

0.5-1.5 2.5-7.5 1.5-75 0.6-1.0 15

= 0.47/0.01905= 25

NUMERO DE ESPACIOS= 25 # DE VARILLAS= # DE ESPACIOS -1= 25-1= 24 VARILLAS

VERIFICAMOS LA LONGITUD DE LA VARILLA MEDIANTE LA EXPRESION DE VERTEDERO LATERAL

SE APLICA LA EXPRESION DE ENGELS (recomendable para flujo critico) 0.9

1.6

Q= 1.86xLe x H 1.6 1.1

Le= (Q/1.86XH

)

1.6 1.1

⇒

Le= (0.270/1.86x(0.46

)

Le= 0.46 m. Longitud efectiva en metros.

LA DIFERENCIA ENTRE LAS Le ES MINIMA POR ESO ADOPTAMOS EL PRIMER CALCULO DE Le= 0.46 mts. 101

COTAS:

COTA DEL NIVEL MINIMO DEL RIO = 3702.4 mts. COTA CRESTA DEL VERTEDERO DE LA BOCATOMA = COTA DEL NIVEL MINIMO DEL RIO- CARGA H SOBRE EL VERTEDERO = 3702.4-0.46 = 3701.94 mts.

DISEÑO DE LA CAMARA DE DERIVACION

TENDRA UNAS DIMENSIONES DE 2 x 1.5 mts PARA PERMITIR LA MANIOBRABILIDAD DE LAS VALVULAS Y QUE EL MANTENIMIENTO SEA COMODO.

COTA NIVEL MINIMO DE AGUAS EN LA CAMARA DE DERIVACION= NIVEL MINIMO DEL RIO- PERDIDA EN LA REJA = 3702.4-0.12 =3702.28 mts.

DISEÑO DE LA LINEA DE ADUCCION

PARA ESTE TIPO DE BOCATOMA LA LINEA DE ADUCCION SE DISEÑA COMO UN ORIFICIO SUMERGIDO

Qdiseño= 2 x CMD= 2 x 60.76= 121.52 lts./seg. (ver especificaciones, o sea datos del problema)

APLICANDO LA FORMULA DE ORIFICIO SUMERGIDO SE TIENE: Q= C x A x √(2gh) 102

C= COEFICIENTE DE DESCARGA= 0.61 A= PARA Ø= 14” EL AREA SERA π/4 x (14 x 0.0254)²= ⇒ A= 0.099 m² Q= Q diseño = 0.122 m³/seg. H= 1/2g x (Q/C x A)² ⇒

H= 1/19.62 x (0.122/0.61 x 0.099)²

H= 0.21 mts: SE DECIDE ADOPTAR EL Ø DE 14” POR QUE ES LA SOLUCION MAS ECONOMICA PARA LA TUBERIA DE ADUCCION, YA QUE CON Ø= 12” DA UN H= 0.38 cm.

COTA EJE DE LA TUBERIA= COTA MINIMA DE AGUA EN LA CAMARA DE DERIVACION-H

= 3702.28-0.21 =3702.07 mts.

103

3702.28 m

3702.07 m 0.3556 m= 14”

FIG. 26 COTA BATEA TUBERIA DE SALIDA HACIA EL DESARENADOR= COTA EJE DE LA TUBERIA – Ø/2

= 3702.07- (0.3556/2) = 3701.9 mts.

104

3701.3 m. cota clave

3702.07 m. 3701.9 m. cota batea

FIG. 27 3.4 EJEMPLO DE DISEÑO DE BOCATOMA DE FONDO

CRITERIOS BASICOS DEL DISEÑO

Dotación domestica según INSFOPAL: • Población de diseño: 5000 habitantes. • Dotación mínima: 125

Lt seg

• Ancho lugar de captación: 2 metros. • Fondo: 3197 m.s.n.m. • Nivel de aguas mínimo: 3198.4 m.s.n.m.

105

• Nivel de aguas máximo: 3199 m.s.n.m. • Caudal mínimo: 0.12

• Caudal medio: 0.46

m3 seg

m3 seg

• Caudal máximo: 2.053

m3 seg

• Cmd: Caudal medio diario

Cmd =

Cmd =

5000 * 125 86400

Cmd = 7.2 Lt/seg.

• CMD: Caudal máximo diario.

CMD = K1 * (Cmd)

 Lt   CMD = 1.4  7.2 seg  

CMD = 10.08 Lt/sg.

• CMH: Caudal máximo horario.

CMH = K1 * K2 * CMD

 Lt   CMD = 1.4 * 1.7 * 10.08 seg  

CMD = 10.08 Lt/sg.

• Caudal de diseño: Q diseño

Qd = 3 * CMD

 Lt   Qd = 3 10.08 seg  

Qd = 30.2 = 30

PD 86400

Lt m3 = 0.030 seg seg

106

Qd = 0.030 m3/seg.

 DISEÑO DE LA PRESA:

El ancho de la presa se supone de 1.5 m. • H: Altura lamina de agua  Q  H=    1.84 L 

2/3

 0.030   H =   (1.84)(1.5) 

2/3

H = 0.05 m • Contracciones laterales: L’ = L – 0.2 (H)

L’ = 1.5 – 0.2 (0.05)

L’ = 1.5 m

• Velocidad sobre la presa:

Vr =

Q L' H

Vr =

0.030 (1.5)(0.05)

Vr = 0.40 m/sg. m m < Vr < 3 seg seg

NORMA: 0.3

 DISEÑO DE LA REJILLA Y CANAL DE ADUCCION: • El ancho del canal de aducción será: B = Xs + 0.10 Xs = 0.36 (Vr )

2/3

+ 0.60 (H )

4/7

Xs = 0.36 (0.4 )

2/3

+ 0.60 (0.05)

Xi = 0.18 (0.4 )

4/7

+ 0.74 (0.05)

4/7

Xs = 0.30 m Xi = 0.18 (Vr )

4/7

+ 0.74 (H )

3/ 4

107

3/ 4

Xi = 0.18 m B = 0.30 + 0.10

B = 0.40 m

• La longitud de la rejilla y el numero de orificios es: • Se utilizaron barrotes de ½” (0.0127 m) y separación entre ellos de 5 cm., se supone una velocidad entre barrotes de 0.10

Vb: Velocidad entre barrotes, máx. = 0.2

• Área neta =

Área neta =

Q ( K )(Vb)

;

m3 . seg

m3 seg

K = 0.9 para flujo paralelo a la sección

0.030 (0.9)(0.10)

Área neta = 0.33 m2

• Longitud de la rejilla: Área neta = Donde:

a * B * Lr a+b

a: separación entre barrotes (m). b: diámetro de barrotes (m). Lr: Longitud de la rejilla.

Lr =

( Areaneta)(a + b) a*b

Lr =

Lr = 1.03 m

108

(0.33)(0.05 + 0.0127) 0.05 * 0.40

Se adopta 1.03 m de longitud de rejilla, ya que la mínima es 0.70 m, es decir que se esta cumpliendo con lo especificado, por lo tanto no hay necesidad de calcular nuevamente el área neta. • El numero de orificios es de: N=

Areaneta a *b

N=

0.33 = 16.5 orificios 0.05 * 0.4

N = 17 orificios Numero de barrotes: 18 Se adoptan 17 orificios y 18 barrotes separados cada 5 centímetros. • Las condiciones finales son: Área neta = a * B * N

Área neta = 0.05 * 0.4 * 17

Área neta = 0.34 m2

Vb: Velocidad entre barrotes

Vb =

Vb =

0.030 (0.9)(0.34)

Norma: Vb como máximo es 0.20

Vb = 0.10 m/sg. m3 seg

Lr = 1.03 m

Los niveles de agua en el canal de aduccion son:  Q2 • Aguas abajo: he = hc =  2 g*B

Q ( K )( Areaneta)

  

1/ 3

109

 (0.030) 2 • he = hc =  2  9.81 * (0.4)

  

1/ 3

he = hc = 0.08 m

• Aguas arriba: Lc = Lr + espesor del muro Lc = 1.03 + 0.45 (ver corte B-B)

Lc = 1.48 m

Se adopta un espesor del muro de 45 centímetros ya que el caudal con el que se esta trabajando es grande. Se toma i =

• ho =

3 100

(por norma)

2  i * Lr    2 ( ) 2 he + hc −     3    

1/ 2

−

2  0.030 * 1.48    2 ho = 2(0.08) +  0.08 −   3    

2 (i )(Lr ) 3 1/ 2

−

2 (0.030)(1.48) 3

NOTA: se tomo Lc = 1.48 m en vez de Lr = 1.03 m ho = 0.10 m

• Ho = ho + (BL) En donde: BL: Borde Libre de 15 cm. por norma. Ho = 0.10 + 0.15

Ho = 0.25 m

• Hc = he + (ho - hc) + i (Lc) + BL Hc = 0.08 + (0.10 – 0.08) + 0.03 (1.48) + 0.15

• la velocidad del agua al final del canal será:

110

Hc = 0.29 m

Vc =

Q B * he

Vc =

0.030 0.40 * 0.08

Vc = 0.94 m/sg. m3 m3 • 0.3 < Vc < 3 seg seg

m3 m3 m3 0.3 < 0.94