Proyecto: Diseño de planta de tratamiento
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Descripción: Diseño de planta de tratamiento para un caudal de 40 l/s....
Description
Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
Presentado a: Ing. Daniel Agudelo Q. Andrés Danilo Castillo Cód. 215286 Lisa Lorena Losada
Cód. 214919
David Alejandro Carantón Cód. 215134 Grupo 1, Subgrupo 9 Q= Universidad Nacional de Colombia. Bogotá, 16 de Enero de 2014.
Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
Tabla de contenido 1
INTRODUCCION ............................................................................................................7
2
OBJETIVOS .................................................................................................................. 8
3
2.1
Objetivo General .................................................................................................... 8
2.2
Objetivos Específicos. ............................................................................................ 8
ESTIMACION DE POBLACIÓN........................................................................................ 9 3.1
MÉTODO ARITMETICO. .........................................................................................10
3.2
CRECIMIENTO GEOMÉTRICO. ...............................................................................12
3.3
METODO LOGARITMICO. ...................................................................................... 13
3.4
MÉTODO VARIACIÓN LOGARÍTMICA ......................................................................14
4
POBLACIÓN Y DOTACIÓN FUTURA............................................................................... 15
5
CAPTACIÓN. ............................................................................................................... 17
6
5.1
Diseño de la Presa ................................................................................................19
5.2
Rejilla ................................................................................................................. 20
5.3
Canal colector ......................................................................................................21
5.4
Cámara de Recolección ....................................................................................... 22
5.5
Vertedero de excesos. ...........................................................................................23
ADUCCIÓN. ............................................................................................................... 25 6.1
7
DISEÑO DE LA ADUCCIÓN. .................................................................................. 26
6.1.1
Conducción no Forzada. ................................................................................ 26
6.1.2
Conducción Forzada. .....................................................................................30
DESARENADOR .......................................................................................................... 31 7.1
ZONA DE ENTRADA ..............................................................................................32
7.2
ZONA DE SEDIMENTACIÓN ...................................................................................34
7.2.1
8
FILAS Y COLUMNAS DEL TABIQUE DE ENTRADA ............................................38
7.3
ZONA DE LODOS ................................................................................................. 39
7.4
ZONA DE SALIDA................................................................................................. 40
CONDUCCIÓN .............................................................................................................41
1
Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
8.1
Canales Abiertos...................................................................................................41
8.1.1
Velocidad Máxima en canales. ....................................................................... 42
8.1.2
Velocidad Mínima en Canales ........................................................................ 42
8.1.3
Rugosidad en Canales....................................................................................43
8.1.4
Taludes en Canales. .......................................................................................43
8.1.5
Infiltración .................................................................................................... 44
8.1.6
Borde Libre en Canales ................................................................................. 44
8.1.7
Radios de curvatura mínimo. ......................................................................... 45
8.1.8
Transición de las Secciones. ......................................................................... 45
8.2
DISEÑO DE CONDUCCION ABIERTA. ..................................................................... 45
8.2.1
Velocidad en el canal. ................................................................................... 46
8.2.2
Área de la sección. ....................................................................................... 46
8.2.3
Base del Canal...............................................................................................47
8.2.4
Profundidad Útil del agua. .............................................................................. 48
8.2.5
Borde libre ................................................................................................... 48
8.2.6
Velocidad Mínima. ........................................................................................ 48
8.2.7
Ancho libre de la sección: ............................................................................. 48
8.2.8
Profundidad Hidráulica. ................................................................................. 48
8.2.9
Numero de Froude, ....................................................................................... 49
8.2.10
Ancho de la sección...................................................................................... 49
8.2.11
Radio Hidráulico ........................................................................................... 49
8.2.12
Pendiente. .................................................................................................... 49
8.3
Conductos cerrados a presión o forzado................................................................ 49
8.3.1
Longitud equivalente de accesorios. ............................................................... 50
8.3.2
Pendiente. ..................................................................................................... 51
8.3.3
Diámetro. ...................................................................................................... 51
8.3.4
Pendiente de cada tramo. .............................................................................. 52
8.3.5
Longitud para cada diámetro. ........................................................................ 52
2
Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
8.3.6
9
10
Cálculo de la velocidad, V. .............................................................................. 53
8.4
CONDUCCIÓN EN CONDUCTOS CERRADOS SIN PRESION ...................................... 53
8.5
ACCESORIOS EN LA CONDUCCIÓN A PRESIÓN ..................................................... 59
8.5.1
Válvula de Ventosa........................................................................................ 59
8.5.2
VÁLVULAS DE PURGA .................................................................................. 62
8.5.3
GOLPE DE ARIETE ........................................................................................ 63
8.5.4
CODOS ........................................................................................................ 64
8.5.5
ANCLAJES ....................................................................................................67
8.5.6
CODOS EN SENTIDO VERTICAL SUPERIOR .................................................... 68
COAGULACION ........................................................................................................... 73 9.1
CAMARA DE AQUIETAMIENTO .............................................................................. 73
9.2
CANALETA PARSHALL MODIFICADA Y CANAL DE RESALTO .................................. 75
9.3
DISEÑO DEL CANAL ENTRE LA COAGULACION Y LA FLOCULACION....................... 84
FLOCULACIÓN ........................................................................................................... 86 10.1 TIPOS DE FLOCULADOR ...................................................................................... 86 10.1.1
Floculación Peri cinética. ............................................................................... 86
10.1.2
Floculación Orto cinética. .............................................................................. 86
10.1.3
Floculación por sedimentación diferencial. ...................................................... 86
10.2 DISEÑO SECTOR III ...............................................................................................87 10.2.1
Diseño 1. ..................................................................................................... 88
10.2.2
Diseño 2. ..................................................................................................... 90
10.2.3
Diseño 3. ......................................................................................................91
10.3 DISEÑO SECTOR II............................................................................................... 93 10.3.2
Diseño caso 2. ............................................................................................. 95
10.3.3
Diseño caso 3. ............................................................................................. 96
10.4 DISEÑO SECTOR I ............................................................................................... 98 10.4.1
Diseño caso 1. ............................................................................................. 98
10.4.2
Diseño caso 2. ............................................................................................100
3
Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
11
10.4.3
Diseño caso 3. ............................................................................................ 101
10.4.4
Resumen. ................................................................................................... 103
SEDIMENTACION ...................................................................................................... 105 11.1 TIPO DE SEDIMENTADOR ................................................................................... 105 11.2 DATOS GENERALES ........................................................................................... 105 11.3 ZONA DE ENTRADA ............................................................................................106 11.4 ZONA DE SEDIMENTACIÓN .................................................................................108 11.5 ZONA DE SALIDA................................................................................................ 112 11.6 ZONA DE LODOS ................................................................................................ 112
12
FILTRACION ............................................................................................................. 115 12.1 Condiciones Iniciales de Diseño. .......................................................................... 115 12.2 Número de filtros. ............................................................................................... 115 12.3 Área del filtro. ..................................................................................................... 116 12.3.1
DIMENSIONES DE LOS FILTROS ............................................................... 116
12.4 Granulometría y espesor de los lechos filtrantes. ................................................... 117 12.5 Velocidad Mínima de Fluidización: ........................................................................ 119 12.6 Velocidad de Lavado: ..........................................................................................120 12.7 Sistema de drenaje. ............................................................................................ 121 12.7.1
Área del orificio. .......................................................................................... 121
12.7.2
Número de niples......................................................................................... 121
12.7.3
Área total d orificios. .................................................................................... 121
12.7.4
Canaletas de Lavado: ...................................................................................122
12.8 Pérdidas en la filtración. ...................................................................................... 123 12.8.1
Para flujo laminar: ........................................................................................ 123
12.9 Para Flujo turbulento. .......................................................................................... 125 12.9.1
Pérdidas durante el lavado. ........................................................................... 125
12.10
Niveles y Tasas de Filtración (Método Di Bernardo). ...........................................126
12.11
Expansión .......................................................................................................129
4
Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
13
DESINFECCION. ........................................................................................................ 132 13.1 Cloro como desinfectante: ................................................................................... 133 13.2 Resumen de diseño: Desinfección. ...................................................................... 133
14
13.2.1
Determinación de la dosis. ........................................................................... 133
13.2.2
Calculo del flujo de masa. ............................................................................ 134
13.2.3
Forma de aplicación. .................................................................................... 134
13.2.4
Flujo de aplicación. ...................................................................................... 135
13.2.5
Tanques de almacenamiento. ....................................................................... 135
13.2.6
Volumen del tanque de desinfección ............................................................. 135
13.2.7
Dimensiones del tanque: .............................................................................. 136
TANQUE DE ALMACENAMIENTO. ............................................................................... 137 14.1 Clasificación de los tanques de almacenamiento ................................................... 137 14.2 Accesorios del tanque de almacenamiento ........................................................... 137 14.3 Síntesis de Diseño: ............................................................................................. 137 14.3.1
Volumen para compensar la variación de consumo. ....................................... 138
14.3.2
Número de hidrantes .................................................................................... 138
14.3.3
Tiempo de duración del incendio. .................................................................. 138
14.3.4
Volumen adicional para incendios. ................................................................ 138
14.3.5
Volumen tanque de almacenamiento. ............................................................ 139
14.3.6
Profundidad total del tanque: ........................................................................ 139
14.3.7
Borde libre .................................................................................................. 139
14.3.8
Profundidad útil. ..........................................................................................140
14.3.9
Área superficial del tanque: ...........................................................................140
14.3.10
Dimensiones. ...........................................................................................140
14.3.11
Desague .................................................................................................. 141
14.3.12
Longitud total de la tubería. ....................................................................... 141
14.3.13
Coeficiente de descarga:...........................................................................142
14.3.14
Area de la tubería: ....................................................................................142
5
Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
14.3.15
Tiempo de desagüe: .................................................................................142
14.3.16
Accesorios del montaje de tanque de almacenamiento. ............................... 143
15
CONCLUSIONES .......................................................................................................144
16
BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................... 145
6
Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
1
INTRODUCCION
El agua es un elemento indispensable para la vida humana y para el desarrollo de sociedades y poblaciones. Es necesaria para procesos industriales, generación de energía, producción agrícola, limpieza, entre otras muchas cosas. Tener acceso al agua es casi tan importante como el elemento como tal, para esto, el ser humano, a través de los años, ha desarrollado técnicas, cada vez más precisas, para conducir el agua a poblaciones de la manera más económica y técnicamente adecuada. Famosos son los acueductos romanos, que desde el año 312 a.C. con el acueducto Aqua Appia de 16.561 km de longitud, han llevado a la humanidad a diseñar cada vez mejor estas obras indispensables. El presente trabajo tiene como propósito diseñar un sistema de abastecimiento de agua potable a una población cuya necesidad futura será de 110 litros por segundo. Para el presente diseño se realizó un estudio de población y se trata de estimar, mediante varios métodos, la población futura, para la cual se diseñara el acueducto. La importancia de las operaciones unitarias en el manejo de la purificación del agua ha revolucionado notoriamente su proceso y su obtención. El presente documento contiene el diseño de todos los componentes de una planta de tratamiento de agua potable PTAP, desde su recolección en la bocatoma del río hasta el tanque de almacenamiento en donde se almacenará el agua limpia, lista para el consumo humano. Son diseños importantes las estructuras que llevan el fluido desde el río hasta la planta, estas son, la bocatoma, la cual debe diseñarse para recibir el caudal necesario para alimentar la población y devolver el caudal excedente a la fuente. El desarenador es una estructura que hace una limpieza previa al agua, esta estructura no es indispensable pero ayuda a que el agua que es conducida por las tuberías o canales de conducción esté con un menor porcentaje de partículas, evitando problemas en dichas estructuras. Seguido de esto se desarrollan operaciones unitarias indispensables como la coagulación y la floculación, acompañadas del proceso de sedimentación necesario para llevar a cabo la obtención de los residuos que se albergan en el agua al inicio de su tratamiento, para su evacuación. El proceso de filtración es indispensable en la planta, puesto que este es el proceso que limpia el agua de manera más efectiva; sin este proceso no podría garantizarse la potabilidad del agua, es tan importante este proceso que la planta podría trabajar eficientemente sólo con filtros. En el proceso de desinfección se asegura que el agua esté libre de microorganismos que pueden llegar a ser potencialmente peligrosos para la salud humana, este proceso debe asegurar que el desinfectante no sólo tenga efecto en el tanque de almacenamiento sino en el proceso de distribución, llegando su
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
efecto incluso después de pasar por la población.
2
OBJETIVOS 2.1
Objetivo General
Mediante la asignación de un caudal máximo diario de 110 lt/s, diseñar un sistema de abastecimiento de agua potable con el fin de cumplir de la mejor manera posible las condiciones técnicas, económicas y de bienestar para la población que va a beneficiarse de su construcción. 2.2
Objetivos Específicos.
Realizar la proyección de la población a diferentes años para conocer la influencia que tendrá el proyecto en el futuro. Estimar la dotación futura que logre complacer las necesidades de la población proyectada para el lugar de ubicación del sistema de abastecimiento de agua potable. Diseñar las diferentes etapas del sistema, teniendo en cuenta cada una de las recomendaciones estudiadas en la teoría y lo consignado en la RAS 2000, reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico. Crear un sistema que logre abastecer a la población sin importar las condiciones de clima que trae consigo la ubicación del terreno seleccionado para la construcción del sistema.
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
3
ESTIMACION DE POBLACIÓN.
Para realizar el estudio del sistema de abastecimiento de agua potable es necesario conocer cuáles son los factores poblacionales que dependerán en el futuro del diseño que se realiza. Se tendrán en cuenta las recomendaciones que se presentan en la RAS 2000-v reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico. Como primera medida se definió el nivel de complejidad que se empleará para el sistema a diseñar. En la Tabla 1 se enuncian los métodos a emplear para la proyección de población para el nivel de complejidad; para este caso en particular el nivel escogido es medio alto en el cual deben estudiarse Métodos como el Aritmético, el geométrico, el exponencial y otro. Tabla 1. Métodos de cálculo mínimos permitidos según la complejidad del sistema.
Fuente: RAS 2000
En función a el nivel de complejidad seleccionado, se tiene en cuenta un coeficiente de consumo máximo diario, el cual se encuentra tabulado en la Tabla 2 y que para el uso de este ejercicio tendrá un valor de k1=1,2. Tabla 2.Coeficiente de consumo máximo diario, K1, según el nivel de complejidad del sistema.
Fuente: RAS 2000
Una vez definido el coeficiente máximo de consumo diario, se debe revisar la Tabla 3 con el fin de conocer la dotación neta mínima del sistema en lt/habitante*dia para el sistema que va a diseñarse.
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
Tabla 3.Dotación neta según el nivel de complejidad del sistema.
Fuente: RAS-2000.
Teniendo en cuenta lo anterior, se comenzará por estudiar cada uno de los métodos analizados para la proyección de la población dada la exigencia del sistema a diseñar. 3.1
MÉTODO ARITMETICO.
Asumiendo que la población crece de manera lineal a una tasa constante de crecimiento anual, se puede usar este método. Con los valores de censos anteriores se obtiene una nube de puntos que permite conocer la población como a crecido durante el tiempo censado. Para este caso se tienen los datos de censos en Colombia (Exactamente la ciudad de Manizales) de los años 1951, 1964, 1973, 1985, 1993 y 2005. Luego de ubicar la recta con mejor ajuste entre estos puntos, usando el método de los mínimos cuadrados, se obtiene una línea de tendencia que corresponde a la proyección de población al 2013 cuya ecuación es: ( ) ( ) Donde m corresponde a la tasa de crecimiento anual que es asumida como constante. Debido a que se hace necesario proyectar la población a 30 años desde el presente, se hace necesario corregir la población inicial tomando como ano base el 2005, ya que es el último censo encontrado, además se concluye que entre más reciente sea el censo, se asegura una mejor calidad en la toma de información.
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
Tabla 4 Censos Ciudad de Manizales, Colombia
AÑO CENSO
TIEMPO (AÑOS)
POBLACION TOTAL
1951 1964 1973 1985 1993 2005 2013 2043
0 13,167 22,417 34,417 42,417 54,417 62,417 92,417
696.543 712.916 745.681 790.453 838.571 898.490
Fuente: DANE Tabla 5. Población Proyectada mediante el método Aritmético.
AÑO CENSO
TIEMPO (AÑOS)
2005 2013 2043
0 8 38
POBLACION CENSADA 898.490
PROYECTADA 898.490 931.650 1.055.998
Fuente: Elaboración Propia. Gráfico 1. Crecimiento Aritmético para el año 2013.
Fuente: Elaboración Propia.
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
Gráfico 2. Crecimiento Aritmético para el año 2043.
Fuente: Elaboración Propia.
Esta proyección es una estimación y es muy raro que el crecimiento se dé a una tasa constante, es usado como referente únicamente y puede llegar a subestimar los valores poblacionales reales 3.2
CRECIMIENTO GEOMÉTRICO.
Asumiendo que el crecimiento poblacional se da a una tasa que crece de manera geométrica (Aumentando a una tasa anual constante) como se muestra: ( )
(
)
Donde r es la tasa de crecimiento, que se asemeja a la fórmula de interés compuesto. Este valor de r es calculado mediante la expresión (
(
)
)
Donde el censo inicial se toma como 1951 y el último censo el del 2005. Obteniendo así:
Como se observa, este valor es muy pequeño lo que es más aproximado al comportamiento real, aunque se puede llegar a sobreestimar la población proyectada si
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
se trata de poblaciones o cascos urbanos pequeños, se recomienda el uso de este método en ciudades grandes, con fenómenos de crecimiento constantes en los últimos años.
POBLACION
Millones
Gráfico 3 Estimación de la población mediante el método de crecimiento geométrico 2
POBLACION CENSADA
1
POBLACION PROYECTADA
y = 3856,8x + 674316 R² = 0,9578
TENDENCIA CENSOS
0 0
10
20
30
40 50 60 TIEMPO (Años)
70
80
90
100
Fuente: Elaboración propia
3.3
METODO LOGARITMICO.
Para la realización del método Logarítmico fue necesaria la búsqueda de una constante k que se obtiene de la siguiente ecuación: (
)
( )
La obtención de esta constante k para cada uno de los métodos nos permitió obtener un valor medio de k el cual será utilizado para calcular las proyecciones de la población a los años requeridos mediante la expresión, (
)
La Tabla 6 presenta el resultado obtenido para las proyecciones de población en los años 2013 y 2043 mediante este método.
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
Tabla 6. Proyección Mediante Método Logarítmico.
AÑO CENSO
TIEMPO (AÑOS)
POBLACION CENSADA
1951 1964 1973 1985 1993 2005 2013 2043
0 13 22 34 42 54 62 92
696.543 712.916 745.681 790.453 838.571 898.490
k (PROMEDIO)
k POBLACION (CONSTANTE PROYECTADA METODO) 0,00178724 0,0049927 0,00485903 0,00738663 0,00575136 898.490 947061 1030300
0,004955391
Fuente: Elaboración Propia.
3.4
MÉTODO VARIACIÓN LOGARÍTMICA
Para llevar a cabo el método de la variación logarítmica tomamos como base tres datos de poblaciones ligadas a tres fechas de toma de datos, se muestran los datos poblacionales completos seguidos de los datos escogidos para la aplicación del método. Hay que tener en cuenta que los intervalos en este método no necesariamente deben ser iguales. Tabla 7. Datos poblacionales
AÑO CENSO
POBLACION TOTAL
1951 1964 1973 1985 1993 2005
696,543 712,916 745,681 790,453 838,571 898,490
Fuente: Elaboración Propia.
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
Tabla 8. Datos poblacionales escogidos, Variación logarítmica
AÑO
POBLACIÓN 1985 790,453 1993 838,571 2005 898,490
Fuente: Elaboración Propia.
Los datos escogidos se introducen en la Tabla 9, hallando primero todos los valores conocidos siguiendo el orden de la tabla, y luego hallando los valores en negrita en sentido contrario, hasta finalmente llegar al valor de la población del año en interés. Tabla 9. Cálculo de la población futura, Método Variación Logarítmica
FECHA 1985 1993 2005 2043
INTERVALO POBLACIÓN 790453 8 838571 12 898490 38 1050610
LOG POBLACIÓN 5.897876052 5.923539839 5.953513248 6.021441846
VARIACIÓN VARIACIÓN DE DE LOG LOG POR AÑO 0.025663787 0.003207973 0.029973409 0.002497784 0.067928599 -
0.001787595 -
VARIACIÓN DE VARIACIONES -0.000710189 -0.000710189 -
Fuente: Elaboración Propia.
4
POBLACIÓN Y DOTACIÓN FUTURA
Teniendo en cuenta que el caudal de diseño (Caudal máximo diario del futuro) es de 110 litros por segundo, podemos hallar los valores de caudal medio diario y caudal máximo horario para la población futura del diseño acá presentado. Estos valores son de vital importancia, puesto que dependiendo de estos haremos el diseño de todos los elementos componentes del sistema de abastecimiento para la población. Para la obtención del caudal medio diario, debemos hacer uso de un factor K1, el cual depende del tamaño de la población, puesto que a mayor tamaño, la variación del caudal máximo diario con respecto al medio es más pequeña, en contraste, las poblaciones más pequeñas tienen mayor diferencia en estos valores. El factor K1 seleccionado es 1.2, dejando el cálculo como sigue:
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
De manera similar, hallamos el caudal máximo horario de la población futura estimando un factor K2, que en este caso será 1.55.
Hallamos entonces la Dotación unitaria del futuro, la cual está en función de la dotación unitaria actual, de la tasa de crecimiento geométrico anual y el número de años en el futuro a donde estará referido el diseño. La tasa de crecimiento geométrico anual acá utilizada será de 0.30%. La dotación unitaria actual de la población será de 200 Litros por segundo y será proyectada a 30 años como sigue: (
)
Teniendo ahora la dotación de la población futura, podemos hallar el valor de la población futura, la población que será base del diseño acá presentado. Estando este en función del caudal medio diario del futuro antes calculado. Se calcula este valor como sigue:
Procedemos, teniendo calculada la población futura, a calcular la población inicial por el
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
método del crecimiento geométrico, cuya fórmula es la que se presenta a continuación. (
)
Dónde: Población futura. Población inicial. Factor que determina la tasa de crecimiento de la población, varía entre 2 a 5 % Periodo que se desea estimar. La tasa de crecimiento poblacional será tomada en el diseño como 3% e, igual que antes, el periodo a estimar será de 30 años. (
5
)
CAPTACIÓN.
Es la estructura encargada de tomar el caudal necesario para alimentar el sistema de abastecimiento de agua potable. Se encuentra ubicado en la fuente (Cauce natural) y su diseño obedece a un estudio hidrológico de la corriente de toma o de la cuenca hidrológica a la que pertenece el cauce garantizando por lo menos el caudal máximo diario más las pérdidas que ocurran en el sistema. La captación de un acueducto se puede realizar mediante diferentes metodologías, una de las más usadas debido a la gran cantidad de corrientes naturales presentes en el país, es la bocatoma de fondo, que presenta la captación del fluido en el nivel más bajo de una corriente. Está conformada por diferentes estructuras hidráulicas que permiten conducir el flujo hacia la aducción (Tabla 10).
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
Tabla 10. Estructuras que conforman la bocatoma de fondo
ESTRUCTURA HIDRAULICA Presa
Rejilla
Canal Colector Cámara de recolección
PROPOSITO Asegurar el paso del flujo por la rejilla de toma, además, al ser una sección geométricamente constante permite un control del flujo permanente. Permite que el fondo cercano a la toma no presente socavación. Permite captar el agua que se usara en el sistema de acueducto, permite un primer filtrado de material con tamaños considerables, que generarían atascamientos en las partes siguientes. Entrega el agua captada por la rejilla a la cámara de recolección. Permite generarla cota necesaria para conducir el flujo en el sistema hasta el desarenador, además, permite tener un primer control de excesos mediante un vertedero, retornando el caudal sobrante al cauce.
Fuente: Elaboración propia en base a López (2003).
Como datos iniciales se hace indispensable realizar un estudio hidrológico de la fuente natural, que confirme que el cauce puede suplir las necesidades de caudal de diseño (Caudal máximo diario de futuro) aun en los periodos secos sin presentar graves afectaciones ambientales. Además, es necesario un levantamiento topográfico que permita conocer las características geográficas de la zona y las dimensiones que tendrán las estructuras diseñadas, para el caso en estudio se consignan en la Tabla 11. Tabla 11. Características obtenidas de la visita en campo.
CARACTERÍSTICA
MAGNITUD
Caudal Máximo del Cauce
⁄
Caudal Promedio del Cauce Caudal Mínimo del Cauce Velocidad Media del Cauce Ancho del Cauce en la zona de Captación
⁄ ⁄ ⁄
Fuente: Elaboración Propia.
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
5.1
Diseño de la Presa
Esta se diseña como un vertedero rectangular de doble contracción con ancho L=2,0 m, con el fin de generar una mayor carga hidráulica sobre la rejilla (Elevación de la lámina de agua), garantizando que el caudal de diseño sea captado. La ecuación correspondiente a este tipo de verteros se muestra a continuación.
Para determinar la profundidad de la lámina de agua sobre el vertedero se usa el caudal de diseño (Qmáx d) aumentado entre 2 y 3 veces, teniendo que. (
)
Debido a la presencia de contracciones laterales en la presa, el ancho del vertedero tiene que ser corregido mediante la ecuación que se muestra a continuación, donde n es el número de contracciones. Una vez corregido el ancho del vertedero, se calcula la velocidad con el caudal de diseño y las cotas de la lámina de agua por encima del vertedero en los diferentes casos de flujo (Mín., Promedio, Máx., Diseño) (Tabla 12).
La velocidad del flujo en la rejilla se encuentra dentro de los límites recomendados por la RAS donde la velocidad debe estar entre 0,3 m/s y 3 m/s. Tabla 12. Profundidades de la lámina de agua en diferentes casos de flujo.
Alturas Lamina de agua Fondo Presa H mín. H prom. H máx. H diseño
Magnitud
Cota
0,2293 m 0,3004 m 0,4223 m 0,1845 m
1000 m 1000,229 m 1000,300 m 1000,422 m 1000,184 m
Fuente: Elaboración Propia.
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5.2
Rejilla
Para definir el ancho de la rejilla y del canal de aducción se usa la ecuación definida por la Figura 1. Figura 1. Alcance del chorro en el canal de aducción.
Fuente: Elementos de Diseño de Acueductos y Alcantarillados – Ricardo López - 2005
( (
) )
(
)
(
)
Se asume una velocidad entre barras de 0,15 m/s con el fin de evitar que material grueso en suspensión sea arrastrado al canal de aducción, una separación de 10 cm entre barrotes. Se define que se usará acero con diámetro (Ø ½ pulgada – 0,0127m) para el diseño de la rejilla, donde las barras irán en el sentido del flujo en la presa. Para hallar el valor de área de la rejilla se calcula con la expresión.
(
)
Recalculando el Área con la longitud aproximada a una medida de construcción y por consiguiente la velocidad entre barras, tenemos.
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
El número de orificios de la rejilla es de.
Aproximando a 14 orificios con una separación de 0,1m entre cada barra, recalculando los valores anteriores tenemos.
(
)
Tabla 13. Resumen Diseño rejilla de captación
Área Neta (An) Vel. entre barras (Vb) Largo rejilla (Lr) Separación entre barrotes (a) Longitud de los Barrotes (B) Diámetro Barrotes (b) Numero de orificios Fuente: Elaboración Propia.
5.3
Canal colector
Se asume que la sección transversal del colector se diseñara de forma rectangular, debido a que es la más sencilla para construir. Para calcular los niveles de agua en el canal de aducción se debe cumplir que la entrega a la cámara de recolección se debe dar en condición de flujo libre, teniendo.
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
Aguas abajo: Teniendo he igual al hc (Profundidad Crítica) se calcula.
(
)
(
(
) (
)
)
Aguas arriba: Bajo la suposición de que todo el caudal es captado por el canal colector y un espesor de los muros de la bocatoma de 0,15 m con una pendiente de i=3% en el fondo del canal colector se tiene.
(
( (
)
(
(
) )
) )
Para calcular la altura total de los muros del canal colector se asume un borde libre de 0,15m por encima de la altura aguas arriba y se calcula como se muestra (Aproximándolas a medidas constructivas).
La velocidad del agua al final del canal es
Esta velocidad se encuentra dentro de los límites recomendados en la RAS los cuales, indican que la velocidad se debe encontrar entre 0,3 m/s y 3,0 m/s. 5.4
Cámara de Recolección
Se diseñara una estructura de forma rectangular, que se construirá en concreto reforzado con un espesor de 0,15 m, la altura de esta cámara será igual a la altura de los muros laterales de la estructura de captación, será necesario diseñar un vertedero de excesos
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
lateral y una escalera de acceso para el mantenimiento de la cámara. Con el fin de encontrar el lugar aproximado de caída del flujo desde el canal de captación a la cámara de recolección se usan las mismas formulas usadas en el cálculo del alcance del chorro de caída en el canal de captación. ( (
) )
(
)
(
)
Con el fin de facilitar el acceso del personal de mantenimiento, se define que el ancho de la cámara deberá ser de 1,5m y 2m de largo, por consiguiente se tiene un área de la base de la cámara de 3m2. El borde libre de la cámara se define como 0,15m y el fondo de esta se definirá una vez se diseñe la aducción (Como la cota clave de salida a flujo no forzado más el diámetro de la tubería de aducción finalmente diseñado). Tabla 14. Resumen diseño de cámara de recolección
Base cámara de recolección (Bcam) Largo cámara de recolección (Lcam) Área fondo cámara de recolección (Acam) Fuente: Elaboración Propia.
5.5
Vertedero de excesos.
Con el fin de evacuar el caudal de exceso que se presente en la cámara de recolección, debido a aumentos de los niveles de la fuente en épocas húmedas, se diseña un vertedero que regresara al cauce el agua que sobra en el proceso de recolección. En el proceso se debe calcular la altura de los muros de contención, con el fin de hallar la altura de la cámara de recolección. Se debe calcular la altura de la lámina de agua en la garganta de la bocatoma cuando se presenta el caudal máximo en la fuente (1000 L/s).
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(
)
(
)
Dejando un borde libre de 0,381 m, la altura de los muros será de 0,80 m. Esta medida se asume en una magnitud tan alta con dos objetivos, debido a que se busca diseñar una estructura segura, que esté preparada para efectos climáticos adversos de crecidas de la fuente no calculadas en el estudio hidrológico y con el fin de que la cámara de recolección presente unas dimensiones aceptables con el fin de que se le pueda realizar un mantenimiento constante. Para el cálculo del caudal de excesos se toma el caudal promedio en la fuente (0,6 m3/s), de la Tabla 12, se tiene que la altura de la lámina de agua sobre la garganta de la bocatoma para el caudal promedio del cauce (600 L/s - 0,6 m3/s) es de 0,3004 m, entonces el caudal captado es. √
√
Cabe resaltar que el caudal de diseño se aumenta 2,5 veces, debido a la suposición inicial de que se presentan pérdidas considerables de caudal debido a filtraciones en la conducción y perdidas en las demás estructuras del sistema (Desarenador, planta). Entonces las condiciones del vertedero de excesos resultan.
(
)
(
(
)
)
(
)
Base de la cámara recolectora del caudal de excesos se obtiene como (Aproximando a medidas constructivas.
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
Entonces, el vertedero de excesos estará ubicado a 1m de la pared de la cámara de recolección.
6 ADUCCIÓN. La estructura encargada de la conexión entre la captación y el desarenado se conoce como Aducción. Esta puede estar regida por un canal abierto o cerrado. Es importante mencionar que para efectos de diseño el transporte del agua depende directamente de la calidad de la misma y las condiciones hidráulicas en las que se llevará a cabo dicho transporte. En el caso de transportar agua cruda, el proceso se conoce como aducción; como en este caso, todo transporte que no haya pasado aún por un proceso de purificación. El proceso cuando el agua se encuentra tratada se conoce como Conducción y se estudiará más adelante. El transporte en esta etapa del diseño del sistema de agua potable, puede realizarse a flujo libre o presión. Debido a que la aducción tiene una menor longitud en proporción a la conducción, por la necesidad de que el desarenador se encuentro lo más cercano a la estructura de captación posible, se definirá la longitud de la línea de aducción como 200m, los cuales serán sometidos a una corrección en longitud equivalente debida a las pérdidas por accesorios será del 3% donde tenemos que: ( (
) )
Los valores iniciales que se tendrán en cuenta para el diseño de la aducción, en términos de materiales, condiciones iniciales de diseño y condiciones del terreno se presentan en la Tabla 15 15. Tabla 15. Condiciones de Diseño para la aducción.
Caudal Máximo Diario (m^3/s) Longitud Inicial (m) Longitud Equivalente (m) N de Manning (PVC)
0,11 200 206 0,009
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Cota de llegada al desarenador Nivel Máximo Nivel Mínimo
998 1000,41 1000,22
Fuente: Elaboración Propia.
6.1
DISEÑO DE LA ADUCCIÓN.
Para el diseño de la línea de aducción nos centraremos en diseñar dos tipos: Conducción no forzada y conducción forzada. Finalmente se definirá la que será usada en el diseño definitivo. 6.1.1 Conducción no Forzada. Este es el caso para en el que el flujo se encuentra sometido a la gravedad. Como primera medida es necesario conocer el valor de la pendiente que presentará la línea de aducción, para ello se requieren las cotas de llegada al desarenado y la cota clave de salida. Esta última será recalculada una vez conocidas las demás condiciones para el diseño de esta línea.
Se obtiene que S es,
A continuación y teniendo en cuenta que el material a utilizar es PVC con un coeficiente de rugosidad de Manning del 0,009 se procede a calcular el diámetro requerido en la aducción. La siguiente ecuación fue obtenida de despejar el diámetro en la ecuación de Manning que nos permite calcular la velocidad, [
[
] ( (
) )
]
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
Debido a que el valor obtenido en la ecuación anterior no representa un valor de diámetro comercial es necesario aproximar este a 12 pulgadas, lo que equivale a 0,3048 m. De esta manera procedemos a calcular la cota precisa de salida mediante la ecuación que se enuncia a continuación,
A partir de esto se recalcula de igual manera la velocidad que se presenta en la línea de aducción cuando el conducto se encuentra lleno donde se utiliza la ecuación de Manning, la cual quedará en términos de la pendiente (s), ⁄
⁄
⁄
(
)
⁄
⁄
⁄
Posteriormente se calcula el caudal, también en función de la pendiente el cual estará dado por,
(
) (
)
A continuación debe realizarse un comparación entre el caudal máximo diario cuando la tubería se encuentra parcialmente llena y cuando está completamente llena, como se muestra a continuación:
También es necesario conocer la velocidad cuando la tubería se encuentra parcialmente llena, por esta razón se realiza la siguiente relación,
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
( ) Antes de realizar el proceso final para conocer la cota clave de salida, se deben tener en cuenta las pérdidas de energía que se producen en la línea de aducción. Los valores más representativos en las pérdidas se encuentran consignados en la Tabla 16. Tabla 16. Valores de Pérdidas.
Coeficiente de Pérdidas (K) Coladeras 4,5 Entrada 1 Velocidad 1 Total 6,5 Fuente: Elaboración Propia.
La ecuación se presenta a continuación,
Finalmente la siguiente expresión nos permitirá calcular la cota de salida insertando las variables anteriormente obtenidas las cuales se encuentran en función de la pendiente, la relación de (d/D) que ya está tabulada puede obtenerse de la
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
Tabla 17 y son necesarios para la ecuación siguiente. [ [
( )] ( )]
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
Tabla 17. Relaciones hidráulicas de un canal circular.
Fuente: Elementos de Diseño para Acueductos y Alcantarillados, LOPEZ CUALLA.
Después de realizar un proceso iterativo (ver tabla iterativa en anexos) hasta llegar a la convergencia de las variables a encontrar, se obtiene que x=999,504 De esta manera se recalculan las variables que antes se encontraban expresadas en función de S, las cuales se consignan en la
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Tabla 18. Resultados del diseño del Conducto no Forzado.
Pendiente Velocidades (m/s) Caudal (m^3/s) Relación de Caudales
0,73% 1,723 0,134 0,8
Fuente: Elaboración Propia.
6.1.2 Conducción Forzada. Para este caso el flujo se encuentra sometido a la presurización de la tubería. Para realizar la conducción forzada se tendrán en cuenta nuevamente los datos que se presentan en la Tabla 15. En esta ocasión la cota a ser usada será la que corresponde a la cresta de salida, y nuevamente la cota que corresponde a la llegada al desarenador. La primera ecuación a usar en este tipo de conducciones está dada por,
La h encontrada permitirá calcular la cabeza de velocidad en términos de algunas variables aún desconocidas,
Mediante la fórmula de Hazen Williams se obtiene que,
De donde es necesario despejar S en términos de lo conocido y el caudal,
[
]
Con el diámetro obtenido en la Conducción no forzada y teniendo que C es un coeficiente predefinido de manera experimental que depende del material en el que está hecha la tubería que en este caso es PVC, el coeficiente es de c= 150. Se encuentra que,
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Diseño del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.
[
]
Posteriormente se calcula la velocidad que también se muestra en términos del caudal,
(
)
Reemplazando las dos ecuaciones inmediatamente anteriores en la ecuación que nos define la cabeza de velocidad se tiene que,
(
)
(
)
Tabla 19. Elemento encontrados para conducción forzada.
Velocidad (m/s) Caudal (m^3/s) Relación de Caudales
1,727 0,135 0,814
El caudal máximo de captación usando una conducción forzada en tuberías de PVC de 12 pulgadas es de 0,135
. El sobrepaso del caudal encontrado deberá tenerse en cuenta a la
hora de calcular el veredero de excesos del desarenador.
7
DESARENADOR
Un desarenador convencional es un tanque construido con el propósito de sedimentar partículas en suspensión por la acción de la gravedad. Es muy conveniente situar el desarenador cerca a la bocatoma, con el fin de evitar problemas de obstrucción en la línea de aducción.
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Los materiales que son transportados por el agua principalmente son arcilla, arena o grava fina. La finalidad del desarenador es la de proteger las tuberías de conducción y evitar que la arena llegue al tanque de almacenamiento y a la planta de tratamiento. Un desarenador está dividido en varias zonas: Zona de Aquietamiento. En esta zona, debido a la ampliación de la sección, se disipa el exceso de energía de velocidad en la tubería de llegada Entrada al desarenador: Constituida entre la cámara de aquietamiento y una cortina, la cual obliga a las líneas de flujo a descender con rapidez, de manera que el material más grueso es sedimentado inicialmente. Zona de sedimentación: Es la zona en donde se sedimentan todas las partículas restantes y en donde se cumple en rigor con las leyes de sedimentación. Salida del desarenador: Constituida por una pantalla sumergida, el vertedero de salida y el canal de recolección. Almacenamiento de Lodos: comprende el volumen entre la cota de profundidad útil en la zona de sedimentación y el fondo del tanque. 7.1
ZONA DE ENTRADA
Para la distancia de la entrada escogemos una distancia de 60 cm y definimos las condiciones de operación que se muestran a continuación. Teniendo en cuenta que el caudal es grande, se diseñará la obra para trabajar con dos desarenadores en paralelo, con el fin de que siempre se esté trabajando en caso de que se necesite detener alguno de los desarenadores. En este orden de ideas, se dividirá el Caudal máximo diario entre los dos desarenadores, quedando: Caudal Máximo Diario para cada desarenador = 110/2 L/s = 55 L/s y Caudal máximo de captación para cada desarenador es 135/2 L/s = 67.5 L/s Caudal máximo Captación = 67.5 L/s = 0.10m Para hallar la Longitud L, usamos la fórmula mostrada a continuación, donde altura lateral del vertedero.
es la
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Aproximando el valor de la longitud a un valor constructivo (1.15m), recalculamos (
)
Para calcular el área de para los orificios del tabique, elegimos una velocidad del paso normal, de 0.15 m/s. Teniendo esta velocidad, calculamos el área total de orificios con la siguiente ecuación:
Tenemos, ya teniendo el área total de los orificios, que elegir una forma para estos. Para el diseño acá presentado, tomaremos orificios circulares de una pulgada.
El área de cada uno de los orificios del tabique es: (
)
Habiendo calculado el área de cada uno de los orificios, y con el área total de los orificios, pasamos a calcular el número de orificios necesarios.
Aproximamos el número de orificios a 80. Como cambiamos el número de orificios debemos recalcular el área total y la velocidad.
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7.2
ZONA DE SEDIMENTACIÓN
Los desarenadores son comúnmente canales rectangulares que establecen un proceso basado en la teoría de sedimentación la cual indica que la velocidad de sedimentación de partículas en un fluido se obtiene considerando las fuerzas que actúan sobre ella, es decir una fuerza de empuje y la fuerza debida a la gravedad. Podemos determinar la velocidad de sedimentación para un flujo de régimen laminar con número de Reynolds bajo (Re
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