Tesis - Mejoramiento de Agua Potable de La Junta Vecinal Jose de San Martin
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INDICE GENERAL
RESUMEN ...................................................................................................................... 8
INTRODUCCION .......................................................................................................... 10
CAPITULO I: GENERALIDADES ................................................................................. 11 1.1.
ANTECEDENTES .......................................................................................... 11
1.2.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA............................................................. 12
1.3.
HIPOTESIS ................................................................................................... 13
1.4.
OBJETIVOS .................................................................................................. 13
1.4.1. OBJETIVO GENERAL ............................................................................... 13 1.4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS ...................................................................... 13 1.5.
ALCANCES ................................................................................................... 13
1.6.
LIMITACIONES ............................................................................................. 14
1.7.
JUSTIFICACION............................................................................................ 14
1.8.
UBICACIÓN DEL DISTRITO ALTO DE LA ALIANZA ..................................... 15
1.8.1
UBICACIÓN DE LA JUNTA VECINAL JOSE DE SAN MARTIN E INICIO DE
RED…………......................................................................................................... 16
CAPITULO II: MARCO TEORICO................................................................................. 17 2.1
SISTEMA DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE. ............................... 17
2.1.1
DEFINICIÓN .............................................................................................. 17
2.1.2
ESTUDIOS BASE DE DISEÑO. ................................................................. 17
2.1.3
PERIODO DE DISEÑO .............................................................................. 18
2.1.4
POBLACIÓN Y DENSIDAD BENEFICIADA................................................ 18
2.1.5
POBLACIÓN FUTURA. .............................................................................. 19
2.1.5.1
Método Geométrico ........................................................................ 19
2.1.5.2. 2.2.
Método Aritmético. .......................................................................... 19
DOTACION Y DEMANDA .............................................................................. 20
2.2.1. DOTACIÓN ................................................................................................ 20 2.2.2 DEMANDA.................................................................................................... 21 2.3
FUENTES DE ABASTECIMIENTO ................................................................ 21
2.3.1. AGUA SUPERFICIAL................................................................................. 23 2.3.2. AGUA SUBTERRANEA ............................................................................. 23 2.4.
CONDUCCIÓN O LÍNEA DE ALIMENTACIÓN............................................... 25
2.5.
TANQUE DE ALMACENAMIENTO. ............................................................... 25
2.5.1. TIPOS DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO. ........................................ 25 2.6.
DISTRIBUCIÓN. ............................................................................................ 26
2.6.1. TIPOS DE SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE. ....... 26 2.6.2. TIPOS DE TUBERÍA SEGÚN LOS MATERIALES USADOS EN LÍNEAS DE CONDUCCIÓN. ..................................................................................................... 27 2.7.
MÉTODOS DE DISEÑO DE REDES DE ABASTECIMIENTO DE AGUA
POTABLE. ................................................................................................................ 29 2.7.1. MÉTODO DE HARDY CROSS. .................................................................. 29 2.7.2 2.8.
MÉTODO DE AJUSTES DE GRADIENTES HIDRÁULICOS....................... 31 HERRAMIENTAS DE DISEÑO: SISTEMAS INFORMÁTICOS. ...................... 32
CAPITULO III: MARCO METODOLOGICO .................................................................. 33 3.
DISEÑO DEL SISTEMA DE ABASTECIMIENTO ........................................... 33
3.1.
PROYECCIÓN DE POBLACIÓN.................................................................... 33
3.2.
DEMANDA..................................................................................................... 34
3.2.2. DEMANDA POBLACIONAL ....................................................................... 34 3.2.2.1.
Caudal Medio Diario (Qmd) ............................................................ 34
3.2.2.2
Caudal Máximo Diario (Qmàxd) ...................................................... 35
3.2.2.3.
Caudal Máximo Horario (Qmaxh) .................................................... 35
3.2.3. DEMANDA SERVICIOS COMUNES Y PUBLICOS FUTURA ..................... 35 3.2.4. DEMANDA CONTRA INCENDIO ............................................................... 36 3.3.
ASPECTOS A CONSIDERAR EN EL USO DE WATERCAD V8I PARA LA
CREACIÓN DE MODELOS DE SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO. ........................ 36 3.3.1. CAPACIDAD PARA LA ELABORACIÓN DE MODELOS HIDRÁULICOS ... 37 3.3.2. PASOS PARA UTILIZAR WATERCAD V8I ................................................ 38 3.3.3. UBICACIÓN DE COMPONENTES Y TRAZADO DE LA RED DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA. ................................................................................... 44
CAPITULO IV: MODELACION Y ANALISIS DE LA RED DE ABASTECIMIENTO ....... 48 4.
MODELACIÓN Y ANÁLISIS DE LA RED DE ABASTECIMIENTO DEL
PUEBLO JOVEN JOSE DE SAN MARTIN UTILIZANDO EL SOFTWARE WATERCAD V8i…… ..................................................................................................................... 48 4.1.
MODELADO DEL SISTEMA COMPLETO ...................................................... 48
4.2.
SIMULACION HIDRAULICA DEL SISTEMA .................................................. 51
4.2.1. PERIODOS DE SIMULACIÓN ................................................................... 51 4.2.1.1.
Simulación en periodo simple ......................................................... 51
4.2.1.2.
Simulación en periodo extendido .................................................... 51
4.3.
SIMULACION EN REGIMEN SIMPLE O PERMANENTE ............................... 51
4.4.
SIMULACIÓN EN RÉGIMEN NO PERMANENTE O EXTENDIDO ................. 55
4.5.
OBSERVACIONES DE RESULTADOS.......................................................... 70
4.5.1
PRIMER PUNTO DE LA RED (NUDO M-11,14) ......................................... 70
4.5.2
PUNTOS MÁS ALEJADOS DE LA RED ..................................................... 70
CAPITULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................... 71 5.1
CONCLUSIONES .......................................................................................... 71
5.2.
RECOMENDACIONES .................................................................................. 72
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ............................................................................. 73
ANEXOS....................................................................................................................... 74
INDICE DE TABLAS
CAPITULO II: MARCO TEORICO Tabla 2.1 Consumo Doméstico de Agua........................................................................ 21 Tabla 2.2 Presiones de trabajo para tuberías PVC. ....................................................... 29
CAPITULO III: MARCO METODOLOGICO Tabla 3.1 Proyección de Población Futura..................................................................... 33 Tabla 3.2 Demanda de uso de servicios comunes y públicos situación futura ................ 35
CAPITULO IV: MODELACION Y ANALISIS DE LA RED DE ABASTECIMIENTO Tabla 4.1 Estado de los nudos de la red régimen permanente ....................................... 52 Tabla 4.2 Estado de las Líneas de la red régimen permanente ...................................... 53 Tabla 4.3 Variaciones de presiones horarias en la red ................................................... 60 Tabla 4.4 Variaciones de velocidades en la red ............................................................. 62 Tabla 4.5 12:00 M Hora de Máxima Demanda ............................................................... 70 Tabla 4.6 12:00 M Hora de Máxima Demanda ............................................................... 70
INDICE DE FIGURAS
CAPITULO I: GENERALIDADES Figura 1.1 Mapa de ubicación del Distrito Alto de la Alianza .......................................... 15 Figura 1.2 Mapa Ubicación Satelital de la Junta Vecinal José de San Martin ................. 16
CAPITULO II: MARCO TEORICO Figura 2.1 Ubicación de las fuentes de agua subterránea. ............................................. 24
CAPITULO III: MARCO METODOLOGICO .................................................................. 33 Figura 3.1 Creacion de un nuevo modelo ...................................................................... 38 Figura 3.2 Configuración de las propiedades ................................................................. 39 Figura 3.3 Configuraciones del dibujo............................................................................ 40 Figura 3.4 Configuración de Unidades en WaterCAD V8i .............................................. 41 Figura 3.5 Configuración de las propiedades de las tuberías en WaterCAD V8i ............. 42 Figura 3.6 Configuración del formato CAD en WaterCAD V8i ........................................ 42 Figura 3.7 Creación de un nuevo archivo DXF en WaterCAD V8i .................................. 43 Figura 3.8 Selección del archivo DXF en WaterCAD V8i................................................ 43 Figura 3.9 Ubicación de las tuberías y uniones en WaterCAD V8i ................................. 44 Figura 3.10 Propiedades del Reservorio en WaterCAD V8i ........................................... 45 Figura 3.11 Tablas de tuberías en WaterCAD V8i.......................................................... 45 Figura 3.12 Tablas de nudos en WaterCAD V8i............................................................. 46 Figura 3.13 Asignación de demanda en WaterCAD V8i ................................................. 46 Figura 3.14 Asignación en el cuadro de demandas en WaterCAD V8i ........................... 47
CAPITULO IV: MODELACION Y ANALISIS DE LA RED DE ABASTECIMIENTO Figura 4.1 Curva de Modulación .................................................................................... 48 Figura 4.2 Modelo de la Red en WaterCAD V8i ............................................................. 49
Figura 4.3 Modelado del reservorio en WaterCAD V8i ................................................... 50 Figura 4.4 Red de distribución de agua en WaterCAD V8i ............................................. 50 Figura 4.5 Simulación en régimen permanente en WaterCAD V8i ................................. 51 Figura 4.6 Esquema de Presiones resultantes a las 00:00 y 04:00 en la red de distribución.................................................................................................................... 55 Figura 4.7 Esquema de Presiones resultantes a las 08:00 en la red .............................. 56 Figura 4.8 Esquema de Presiones resultantes a las 12:00 en la red .............................. 57 Figura 4.9 Esquema de Presiones resultantes a las 16:00 en la red .............................. 58 Figura 4.10 Esquema de Presiones resultantes a las 20:00 en la red ............................ 59 Figura 4.11 Esquema de numeración de tuberías de la Red de Distribución .................. 62 Figura 4.12 Esquema de Velocidades resultantes a las 00:00 y 24:00 en la red............. 65 Figura 4.13 Esquema de Velocidades resultantes a las 08:00 en la red ......................... 66 Figura 4.14 Esquema de Velocidades resultantes a las 12:00 en la red ......................... 67 Figura 4.15 Esquema de Velocidades resultantes a las 16:00 en la red ......................... 68 Figura 4.16 Esquema de Velocidades resultantes a las 20:00 en la red ......................... 69
INDICE DE GRAFICOS
CAPITULO IV: MODELACION Y ANALISIS DE LA RED DE ABASTECIMIENTO ....... 48 Grafico 4.1 Variación Horaria de la presión en los nudos ............................................... 61 Grafico 4.2 Variación horaria de las velocidades en las tuberías .................................... 64
RESUMEN De acuerdo a la investigación realizada, el sistema que se utiliza para abastecer de agua son las redes de distribución por tuberías las cuales transportan el líquido desde una fuente o almacenamiento hasta el lugar donde se utiliza tal recurso. Las características de este sistema varían dependiendo de las condiciones particulares de la región donde se utilice. Es de resaltar que este tipo de sistema requiere cierto mantenimiento a lo largo de su vida útil, mínimo en la mayoría de las ocasiones.
Se hace necesario entonces plantear soluciones a los problemas causados en las redes de distribución de agua potable debido al paso del tiempo, asegurando así que los residentes de determinada zona cuenten con el preciado recurso para la satisfacción de sus necesidades. La Junta Vecinal José de San Martin es uno de los lugares donde el sistema de red de distribución de agua potable necesita ser mejorada, para dar solución al problema de mayor dotación de agua diaria, el cual depende de las presiones optimas en cada nudo.
La presente investigación tiene como objetivo mejorar la distribución de agua. Todo esto con el fin de mejorar la calidad de vida de la población residente en la Junta Vecinal José de San Martin – Distrito Alto de la Alianza.
Por lo tanto en este documento se presenta toda la información utilizada para la realización del mejoramiento de la red de agua potable, estructurado de la siguiente forma: En el Capítulo I se dan a conocer los antecedentes, planteamiento del problema, objetivos, alcances, limitaciones, justificación, ubicación, cantidad de población y área del Pueblo Joven José de San Martin, exponiendo la problemática existente, las condiciones predominantes en dicha Junta Vecinal y las respectivas alternativas de mejoramiento y así dar solución a los problemas dados.
En el Capítulo ll contiene todo lo relacionado con las bases de diseño para poder realizar el mejoramiento y modelamiento, indicando el periodo de diseño, población futura, métodos existentes para el cálculo de la red de distribución, aspectos a considerar para el modelamiento con el programa WaterCAD V8i y los pasos para realizar el Modelamiento de la red de distribución en WaterCAD V8i.
En el Capítulo lll, contiene todo lo relacionado al diseño y utilización del programa WaterCAD V8i, por lo cual se refiere a los cálculos realizados en proyección de población, demandas poblacionales, parámetros y aspectos a considerar en el uso de WaterCAD V8i para realizar el modelamiento y simulación del sistema de distribución de agua potable, y así cumpliendo con el Reglamento Nacional de Edificaciones.
En el capítulo IV, contiene todo lo relacionado a la modelación y análisis de la distribución de la red, por los cual se refiere al modelado del sistema completo, simulación en periodo simple, simulación en periodo extendido, obteniendo así una distribución optima, presiones óptimas, velocidades optimas y las observaciones de los resultados calculados en el programa WaterCAD V8i.
En el capítulo V, se dan a conocer las conclusiones obtenidas del modelamiento y simulación, además se da una serie de recomendaciones consideradas esenciales para garantizar y mejorar el funcionamiento del sistema.
INTRODUCCION El nivel de vida que caracteriza a una población está ligado, en gran parte, al agua. Las condiciones de presión y calidad del suministro varían en el espacio y en el tiempo. Los consumos de zonas industriales son ampliamente diferentes de los de una zona residencial, entre zonas residenciales urbanas y rurales también existe una diferencia considerable. Este problema de dos variables, espacial y temporal, solo puede abordarse mediante procedimientos informáticos.
Las consecuencias de las variaciones deben poder preverse con el objetivo de implantar las soluciones técnicas necesarias a tiempo, a fin de que la demanda quede satisfecha. El compromiso de hacer llegar el producto a cada toma bajo unos requisitos mínimos de presión y calidad nos obliga a estudiar todas y cada una de las posibilidades eventuales que puedan acontecer.
Por ello en el presente trabajo de investigación se plantea una propuesta de solución a un problema frecuente en nuestro país, el abastecimiento de agua potable. El lugar a desarrollar dicha propuesta es la Junta Vecinal José de San Martin, Ubicado en el distrito Alto de la Alianza.
La Junta Vecinal José de San Martin cuenta con un sistema de distribución de agua potable antiguo, que ya no cumple con las demandas exigidas por el consumo de la población, ocasionando que algunos de los pobladores solo cuenten aproximadamente con diez horas de servicio durante el día, también al realizar reparaciones o mantenimientos en lugares se opta por desabastecer de agua a toda la población no contando con una adecuada sectorización, La siguiente propuesta busca mejorar la red de distribución de agua potable, sectorizando por manzanas con redes principales y considerando tuberías nuevas de PVC para un óptimo desempeño ya que el sistema de agua potable es una pieza fundamental para el desarrollo de una población.
Se hace entonces la propuesta de mejorar la red de distribución de agua potable, por ello utilizando el programa WaterCAD V8i de dominio público, nos permitirá el modelamiento de la nueva red de distribución, en el cual mediante se permite el cálculo de la complejidad de la red, calculando así las presiones estáticas en cada punto de la red y las presiones dinámicas brindándonos un eficiente análisis hidráulico.
CAPITULO I: GENERALIDADES 1.1. ANTECEDENTES
Una de las necesidades básicas del ser humano es el consumo de agua potable. La existencia de este vital líquido permite que se den grandes asentamientos cerca de los lugares donde se les facilite la obtención de tal recurso.
Para la obtención de este recurso el ser humano construye obras para abastecerse y suplir sus necesidades, encontrando así desde la época romana las primeras obras de abastecimiento, como pozos, fuentes represas y acueductos, siendo su principal diseño los acueductos por gravedad, donde figuran los famosos arcos romanos.
Hoy en día, el sistema que se utiliza para abastecer de agua son las redes de distribución por tuberías las cuales transportan el líquido desde una fuente o almacenamiento hasta el lugar donde se utiliza tal recurso. Las características de este sistema varían dependiendo de las condiciones particulares de la región donde se utilice. Es de resaltar que este tipo de sistema requiere cierto mantenimiento a lo largo de su vida útil, mínimo en la mayoría de las ocasiones. En países como el nuestro, el mantenimiento de esos sistemas no es algo que las instituciones cumplan rigurosamente, y como en la mayoría de países subdesarrollados la vida útil de las obras publicas siempre es irrespetada. Debido a esto, los sistemas dejan de prestar el adecuado servicio para el que fueron diseñados provocando que un sector de la población se vea afectado por las deficiencias de la red de distribución. En la ciudad de Tacna, el mejoramiento de las redes de distribución no se realiza a gran escala, a pesar que las redes existentes llevan más de 35 años de antigüedad y uno de ellos es el la Junta Vecinal José de San Martin – Distrito de Alto de la Alianza.
En la información de la E.P.S, las cuales son: el estado situacional de las tuberías son de asbesto cemento (AC) los cuales llevan 35 años en funcionamiento, también las presiones en los puntos más altos de las red de distribución son mínimas, no existe un régimen permanente de dotación de agua y no existe un registro de consumos de la red de distribución de agua potable.
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1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El diseño de los sistemas redes de distribución de agua potable en Junta Vecinal José de San Martin – Distrito Alto de la Alianza, se diseñaron sin utilizar técnicas de optimización, la cual hace un tanto ineficiente la operatividad de las redes de agua potable en el Distrito de Alto de la Alianza - Tacna.
El presente trabajo pone en manifiesto la constante insuficiencia del recurso hídrico en la Junta Vecinal José de San Martin, como en el resto del Departamento y sin mayores soluciones a esta necesidad. En tal sentido la dotación de agua es de una manera inadecuada, con constantes racionamientos y constantes cortes del servicio, esto es el producto generado a causa de la mala sectorización en el que se encuentra en la actualidad el sistema de distribución de agua potable en la Junta Vecinal José de San Martin.
Cabe mencionar el sistema de redes de distribución de agua potable de la Junta Vecinal José de San Martín, Distrito Alto de la Alianza al tener 35 años de antigüedad, estas tuberías han sufrido incrustaciones aumentando su rugosidad, reduciendo su diámetro, causado por depósitos de sedimentos y/o la corrosión o incrementando su diámetro (por desgaste de la tubería) e incluso produciendo fatiga del material, lo que ocasiona frecuentes interrupciones del servicio por roturas y/o pérdidas de agua por grietas. Los cuales son agentes causales de la mala dotación y bajas presiones en demanda máxima horaria de agua que se brinda a la Junta Vecinal José de San Martin. Datos de la EPS, los cuales son: en los puntos altos de la red de distribución existen presiones de 2 m.c.a y en el resto de la red de distribución varían de 5 m.c.a a 20 m.c.a, También el régimen de funcionamiento es de 15 horas y no existe registro de consumos en dicho sector.
Se hace necesario entonces plantear soluciones a los problemas causados en las redes de distribución de agua potable debido al paso del tiempo, asegurando así que los residentes de determinada zona cuenten con el preciado recurso para la satisfacción de sus necesidades. La Junta Vecinal José de San Martin es uno de los lugares donde el sistema de red de distribución necesita ser mejorada, para dar solución al problema de mayor dotación de agua diaria.
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1.3. HIPOTESIS
Se lograra el Mejoramiento de la Red de Distribución de la Junta Vecinal José de San Martin – Distrito Alto de la Alianza, realizando el modelamiento y simulación de la nueva red de distribución en el Software WaterCAD v8i. 1.4. OBJETIVOS 1.4.1. OBJETIVO GENERAL
Mejoramiento de la red de distribución de agua potable de la Junta Vecinal José de San Martin – Distrito Alto de la Alianza para obtener un óptimo desempeño del sistema de distribución. 1.4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
Mejorar con una nueva red de distribución que abastezca de agua potable a la Junta Vecinal José de San Martin del Distrito Alto de la Alianza.
Efectuar simulación en periodo simple o permanente y simulación en periodo extendido o no permanente en el software WaterCAD V8i.
Verificar el comportamiento de las presiones en los diferentes nudos de la red de distribución los cuales deben ser óptimos.
1.5. ALCANCES
Basándonos en el estudio correspondiente de las condiciones existentes de la Junta Vecinal José de San Martin – Distrito Alto de la Alianza, en este trabajo de investigación se pretende realizar:
El levantamiento topográfico del Pueblo Joven José de san Martin – Distrito Alto de la Alianza.
Planos de ubicación de los diferentes componentes de la red de distribución de agua potable.
Además en este trabajo de investigación efectuaremos el mejoramiento de la red de distribución de agua potable. 13
1.6. LIMITACIONES
Para la realización del presente proyecto de tesis no existe ningún tipo de limitaciones, puesto que la metodología utilizada es flexible y adaptable a la zona de estudio. 1.7. JUSTIFICACION
La disponibilidad de recursos hídricos son fuente de vida es por ello de gran importancia para satisfacer las necesidades domésticas e industriales; desde tiempos históricos la disponibilidad de agua ha sido motivo suficiente para el establecimiento de los diferentes asentamientos humanos; y en la actualidad no es la excepción, cada día se va buscando maneras más adecuadas de abastecer del vital líquido a la población.
La Junta Vecinal José de san Martin, cuenta con 999 lotes.
Debido al crecimiento
poblacional de la cuidad de Tacna, dicho pueblo joven cuenta con una población, según el censo de la institución nacional de estadística e informática INEI realizado en 2005, de 4995 habitantes no es posible observar la mejora del servicio, a raíz de las deficiencias del sistema de conducción y distribución. También Debido a la composición Físico – Química del Suelo en el Distrito de Alto de la Alianza que es alta en sales y por el desprendimiento de gas metano, que contribuyen a que la tuberías de Asbesto cemento (AC). Se deterioren más rápido y no lleguen a cumplir con la vida útil para la cual fueron diseñadas, lo cual provocaría una reducción de presión en los puntos de distribución.
Por ello es conveniente realizar un mejoramiento de la red de distribución acorde a las realidades de la zona y así brindarle al usuario una Infraestructura de sistema de distribución de agua potable óptima.
Otro punto a señalar es que el mejoramiento de la red de agua, es un aporte a la sociedad, además con este trabajo de investigación la Universidad Privada de Tacna, cumple con el compromiso de contribuir al desarrollo social y económico de la ciudad de Tacna.
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1.8. UBICACIÓN DEL DISTRITO ALTO DE LA ALIANZA
El distrito Alto de la Alianza se ubica en el extremo sur occidental del país y al norte de la ciudad de Tacna, entre las coordenadas geográficas
Latitud Sur
:
17°59'31"
Longitud Oeste :
70°14'44"
Nivel altitudinal :
559 msnm.
Dichos datos están relacionados con la ubicación de la plaza José Abelardo Quiñones del Pueblo Joven La Esperanza, capital del distrito. El Distrito cuenta con una extensión actual de 407.56 km2; limitando de la siguiente forma:
Norte: por distrito de Inclán y provincia de Tarata Sur:
por la Ciudad de Tacna
Este:
por el distrito de Ciudad Nueva
Oeste: por la Ciudad de Tacna.
La población del distrito, según los Censos Nacionales X de Población y V de Vivienda 2005, es de 33.877 habitantes, de los cuales 4995 habitan en la Junta Vecinal José de San Martin.
Figura 1.1 Mapa de ubicación del Distrito Alto de la Alianza
Fuente: Municipalidad del Distrito Alto de la Alianza 15
1.8.1
UBICACIÓN DE LA JUNTA VECINAL JOSE DE SAN MARTIN E INICIO DE
RED
En la figura 1.2 podemos apreciar un esquema de vista satelital de la posición relativa de la red de distribución de la Junta Vecinal José de San Martin. El cual cuenta con un Área aproximada de 35.56 Ha.
Figura 1.2 Mapa Ubicación Satelital de la Junta Vecinal José de San Martin
Fuente: Autor
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CAPITULO II: MARCO TEORICO
2.1 SISTEMA DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE.
2.1.1
DEFINICIÓN
Simon, A.R. (1985).Un sistema de abastecimiento de agua potable es un conjunto de obras que permiten que una comunidad pueda obtener el agua para fines de consumo doméstico, servicios públicos, industrial y otros usos. El agua suministrada debe ser en cantidades suficientes y de la mejor calidad; desde el punto de vista físico, químico y bacteriológico.
Componentes de un sistema de abastecimiento de agua:
1. Fuente de abastecimiento. 2. Captación. 3. Desinfección 4. Aducción. 5. Conducción. 6. Línea de Distribución. 7. Almacenamiento. 8. Red de distribución. 9. Acometidas domiciliares 10. Micro medición. 2.1.2
ESTUDIOS BASE DE DISEÑO.
Para el diseño de un sistema de abastecimiento de agua potable, es necesario considerar una serie de elementos básicos que permitan realizar un diagnóstico del área donde se va realizar dicho proyecto. A continuación se presentan los elementos básicos necesarios para hacer el diagnóstico que servirá de base para el diseño del sistema de abastecimiento de agua potable, (RNE, ed. 2010)
A. Plano topográfico de la zona que va a ser abastecida. B. Datos referentes a aspectos físicos de la región (recursos hídricos, hidrogeología, clima, vegetación, infraestructura existente, etc.). 17
C. Demografía local y regional. D. Localización de datos de la infraestructura existente como lo son: sistemas de agua, alcantarillado sanitario y pluvial. E. Determinación de las características cualitativas y cuantitativas de las fuentes de abastecimiento de la región. F. Evaluación de los consumos de agua.
Una vez obtenido estos elementos es necesario determinar el periodo de diseño para el cual se va a diseñar dicho mejoramiento. 2.1.3
PERIODO DE DISEÑO
El periodo de diseño de un proyecto de esta naturaleza, es el lapso del tiempo por el cual se estima que las obras por construir funcionen eficientemente, siendo el tiempo mínimo de este periodo de 20 años. Pero existen diferentes factores que pueden influir en aumentar o disminuir el periodo de diseño como los que se muestran a continuación, (RNE, ed. 2010).
A. Calidad y vida útil de los materiales. B. Calidad de procesos constructivos. C. Calidad de los equipos electromecánicos y de control. D. Calidad del agua. E. Diseño del sistema. F. Operación y mantenimiento. 2.1.4 POBLACIÓN Y DENSIDAD BENEFICIADA.
Las poblaciones crecen por nacimientos e inmigración y decrece por el inverso de estos, cada uno ellos son influidos por factores sociales y económicos de una comunidad. Por lo que cualquier sobre estimación de la población trae como consecuencia sobre pasar la capacidad de un proyecto, así como los costos de inversión del mismo. (RNE, ed. 2010). Las fuentes de información que se consideran para establecer la población actual y su densidad son:
Censos.
Encuestas sanitarias.
Registros escolares. 18
2.1.5 POBLACIÓN FUTURA.
La población futura se constituye como la población beneficiada que se considerara en el diseño, esta se determina en base a la población inicial y un crecimiento poblacional para un periodo considerado, por lo tanto se utilizan diferentes métodos que son recomendados por El Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE). Para la proyección de la población futura. Entre estos métodos están:
Método Aritmético.
Método Geométrico.
El método a utilizar es determinado de acuerdo a las características sociales, económicas y principalmente en base a la cantidad de población inicial. Cuando los proyectos son de urbanizaciones la población futura se calcula en base al número de viviendas y el número de habitantes por unidad habitacional. 2.1.5.1 Método Geométrico
Simon, A.R. (1985), Este método supone que el aumento de la población se produce en forma análoga al aumento de una cantidad colocada al interés compuesto, el gráfico producido está representado por una curva semilogarítmica.
(Ecuación 2.1)
Dónde: Pf =
Población futura.
Pa =
Población actual.
I=
Tasa anual de Crecimiento Poblacional.
n=
Años del periodo de diseño.
2.1.5.2. Método Aritmético.
Simon, A.R. (1985), Consiste en considerar que el crecimiento de una población es
constante, es decir asimilable a una línea recta, es decir que responde a la ecuación. (Ecuación 2.2)
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En donde: Pn =
Población Futura.
Pa =
Población Actual.
n
=
Periodo de diseño entre la población futura y la actual.
I
=
Tasa de incremento poblacional aritmético.
Por lo tanto, en base a los resultados obtenidos de la población futura en cada uno de los métodos, se realiza una comparación de los resultados para la elección del más representativo de una población. 2.2. DOTACION Y DEMANDA
2.2.1.
DOTACIÓN
El consumo o la dotación de agua de una comunidad varían con respecto a otra, ya que depende de una serie de factores propios de la localidad que se abastece. Los principales factores que influyen en este consumo son:
a) El clima. b) Nivel de vida y costumbres de la población. c) Existencia de red de alcantarillados. d) Calidad de agua. e) Tipo de consumo. f)
Presión de la red de distribución.
g) Costo del agua (tarifa). h) Perdidas en el sistema. i)
Medidores.
j)
Existencia de sistemas privados.
La mayor cantidad de agua que se consume se divide principalmente en cuatro sectores, como lo son: domestico, público, comercial e industrial. Además de las pérdidas que se dan en la red de distribución. Para este proyecto solamente se considerará el consumo doméstico, debido a que las comunidades se desarrollan principalmente en torno al sector rural, por lo tanto no utilizan grandes cantidades en consumo de agua como para uso industrial.
20
2.2.2 DEMANDA A continuación se presenta un estimado del consumo de agua doméstico en litros por habitante al día (lt/hab/d), propuestos en el
proyecto “Diseño de Acueductos y
Alcantarillados”. Tabla 2.1 Consumo Doméstico de Agua ACTIVIDAD
Lt/hab/d
PROMEDIO
%
2
2
1
Higiene corporal
20 - 50
30
18
Higiene general
30 – 40
35
18
Evacuación de aguas residuales
80 - 100
85
38
Riego
0 - 20
10
5
Perdidas 20%
15 - 20
18
20
147 - 192
180
100
Bebida
TOTAL
Fuente: Proyecto “Diseño de Acueductos y Alcantarillados” En las “Consideraciones básicas de diseño de infraestructura sanitaria (OS.100)” del Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE) se plantea en el punto 1.4, que la dotación para conexiones domesticas domiciliarias es de 220 l/hab/d en clima templado y cálido, considerando un 20% en fugas o desperdicios. A continuación se presenta una tabulación de datos correspondientes a la dotación de agua a proveer a viviendas. De acuerdo con esta sección del Reglamento Nacional de Edificaciones, para el diseño de este proyecto se utilizara 220 lt/hab/d valor que se encuentra en la clasificación de clima templado y cálido. 2.3 FUENTES DE ABASTECIMIENTO
La fuente de agua más importante es la lluvia, ya que se recarga directamente en los embalses o en las cuencas de captación, dando vida a una red de ríos de una zona. El agua de la capa freática es agua de lluvia que se ha filtrado a través de capas de roca y se ha acumulado a lo largo de los años, esta se encuentra bajo presión y brota a la superficie en forma de manantial. Por estas razones las fuentes de abastecimiento se divide en dos grandes grupos como lo son, (RNE, ed. 2010).
21
A. Agua superficial: En esta área incluye arroyos, ríos, lagos y los manantiales que no estén confinados. B. Agua subterránea: Es todo aquella que proviene de grietas del sub-suelo, que puede aflorar a la superficie o artificialmente a través de una bomba.
El agua que abastecerá un sistema de agua potable deberán satisfacer las siguientes condiciones: i.
Caudal Aprovechable.
Es el volumen de agua que puede ser captada de uno o varios cuerpos de agua para el abastecimiento de una población. En la obtención de este caudal es necesario determinar los siguientes factores:
El caudal aprovechable debe ser igual o mayor a la demanda máxima diaria de agua al final de periodo del proyecto .
El caudal disponible de la fuente deberá comprobarse con un “Estudio Base” fundamentado en balances hidrológicos, investigaciones hidrogeológicas y/o coeficientes hidráulicos y acuíferos.
ii.
Calidad del Agua.
Toda agua destinada para el consumo humano, debe estar exenta de:
1. Bacterias coliformes totales, termotolerantes, Escherichia coliy Virus. 2. Huevos y larvas de helmintos, quistes y ooquistes de protozoarios patógenos; 3. Organismos de vida libre, como algas, protozoarios, copépedos, rotíferos y nemátodos en todos sus estadios evolutivos; y 4. Para el caso de Bacterias Heterotróficas menos de 500 UFC/ml a 35°C. Las pruebas analíticas deben realizarse en laboratorios que tengan como responsables de los análisis a profesionales colegiados habilitados de ciencias e ingeniería, además deben contar con métodos, procedimientos y técnicas debidamente confiables y basados en métodos normalizados para el análisis de agua para consumo humano de reconocimiento internacional, en donde aseguren que los límites de detección del 22
método para cada parámetro a analizar estén por debajo de los límites máximos permisibles señalados en el presente Reglamento. Las indicaciones señaladas en el párrafo anterior son aplicables para el caso de los parámetros orgánicos y radioactivos que tengan que ser determinados en laboratorios del exterior. 2.3.1. AGUA SUPERFICIAL.
Estos cuerpos de agua se conforman debido a los afloramientos que existen hasta la superficie del terreno y de las escorrentías superficiales debido a las lluvias, estos cuerpos de agua pueden ser ríos y lagos. A continuación se describen algunas características de estos cuerpos de agua: A.
Los ríos: Son corrientes de agua que fluyen por un lecho, desde un lugar elevado a otro más bajo. La gran mayoría de los ríos desaguan en el mar o en un lago, aunque algunos desaparecen debido a que sus aguas se filtran en la tierra o se evaporan en la atmósfera.
B.
Los lagos: Son masas de agua dulce o salada, más o menos extensa, embalsada en tierra firme. Las cuencas de los lagos pueden formarse debido a procesos geológicos como son la deformación o la fractura (fallas) de rocas estratificadas; y por la formación de una represa natural en un río debida a la vegetación, un deslizamiento de tierras, acumulación de hielo o la deposición de aluviones o lava volcánica (lagos de barrera). Las glaciaciones también han originado lagos, ya que los glaciares excavan amplias cuencas al pulir el lecho de roca y redistribuir los materiales arrancados (lago glaciar). Otros lagos ocupan el cráter de un volcán dormido o extinto (lago de cráter). El agua de un lago procede, por un lado, de la precipitación atmosférica, que lo alimenta directamente, y por otro, de los manantiales, arroyos y río.
2.3.2. AGUA SUBTERRANEA
El agua que cae sobre una superficie de terreno se divide en dos partes, una que conforma la escorrentía superficial que llega hasta ríos y lagos, pero la otra parte se infiltra en el suelo. Desde el suelo parte del agua sale por evapotranspiración o por manantiales alimentando a los ríos y lagos a través de su lecho. 23
Las rocas y suelos que dejan pasar el agua que cae como lluvia, se llaman permeables. El agua que penetra por los poros de una roca permeable acaba llegando a una zona impermeable que la detiene. Entonces la parte permeable se va acumulando de agua (zona de saturación). La zona por encima de esta en la que el agua va descendiendo pero en los poros todavía hay aire se llama zona de aireación y el contacto entre las dos es el nivel freático. Las rocas porosas y permeables que almacenan y transmiten el agua se llaman acuíferos. (Ver Figura 2.1) Figura 2.1 Ubicación de las fuentes de agua subterránea.
Fuente: Tesis de la Universidad de el Salvador, (Tesis U.S.V.) Enero (2010).
De acuerdo al grado de confinamiento del agua que contienen, los acuíferos se clasifican en cuatro tipos: A. Acuíferos libres, freáticos o no confinados. Son aquellos en que el agua subterránea presenta una superficie libre, sujeta a la presión atmosférica y tiene como límite superior la zona de saturación. B. Acuíferos
confinados
o
artesianos.
Son
formaciones
geológicamente
permeables, están completamente saturados de agua, están confinados entre dos capas casi impermeables y la presión del agua que permanece en ellos es mayor que la presión atmosférica. C. Acuíferos semiconfinados. Estos son acuíferos completamente saturados sometidos a presión que están limitados en su capa superior o por un estrato semipermeable (acuitardo) y en su parte inferior un estrato impermeable (acuifugo). 24
D. Acuíferos semilibres. Este tipo de acuífero representa una situación intermedia entre el acuífero libre y un acuífero semiconfinado, pero poseen un flujo horizontal dentro del acuífero. 2.4. CONDUCCIÓN O LÍNEA DE ALIMENTACIÓN.
Se denomina línea de conducción a las partes del sistema que son constituidos por ductos, obras de arte y accesorios destinados a transportar el agua procedente de la fuente de abastecimiento, desde el lugar de abastecimiento al punto de su almacenamiento u otro sitio donde se realiza algún tratamiento previo a su distribución, (RNE, ed. 2010). 2.5. TANQUE DE ALMACENAMIENTO.
Es la parte del sistema de abastecimiento que permite enviar un gasto constante desde la fuente de abastecimiento y satisfacer las demandas de agua que son variables en la población. Estos tanques se construyen con el objeto de no suspender el servicio por alguna reparación o algún imprevisto como un incendio, ya que se acumula el agua cuando la demanda es menor que el gasto de llegada y dicha agua es utilizado cuando la demanda es mayor en la red de distribución, (RNE, ed. 2010). 2.5.1.
TIPOS DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO.
Las principales categorías de tanques de almacenamiento se dividen en superficiales, columnas reguladoras y elevados. a) Tanques superficiales. Son depósitos que se construyen a nivel del suelo o balanceando cortes y rellenos. Sus paredes pueden construirse con mampostería de piedra o con concreto reforzado con su interior revestido con material impermeabilizante. b) Columnas reguladoras. Son empleados en donde la construcción de los tanques superficiales no proporciona suficiente presión hidráulica. Las columnas reguladoras consisten un tanque cilíndrico cuyo volumen de almacenamiento incluye una porción superior, que es el volumen útil que se encuentra arriba de la tubería de alimentación a la red y un volumen inferior de soporte siendo el que proporcionará la carga requerida.
25
c) Tanques Elevados. Los tanques elevados se emplean cuando no es posible construir un tanque superficial ya que la elevación natural no es la adecuada. El tanque elevado se refiere a la estructura integral que consiste en el tanque, la torre y la tubería elevadora. 2.6. DISTRIBUCIÓN.
El agua en el sistema pasa a los propios consumidores, un sistema de distribución proporciona un amplio suministro de agua potable, cuándo y dónde se requiera dentro de la zona de servicio. El sistema debe mantener las presiones adecuadas para los usos residenciales, comerciales e industriales normales, al igual que proporcionar el abastecimiento necesario para la protección contra incendio. A veces se requieren bombeos auxiliares para poder servir a las zonas más elevadas o a los consumidores más remotos. El sistema de distribución incluye bombas, tuberías, válvulas de regulación, acometidas domiciliares, líneas principales y medidores. Todas estas partes son colocadas de acuerdo al tipo de sistema que se esté empleando en una zona, (RNE, ed. 2010). 2.6.1.
TIPOS DE SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE.
Los elementos descritos en las secciones anteriores pueden ser conjugados de diferentes formas, atendiendo a las características propias de la fuente a explotar y de las necesidades de la localidad a la que se abastecerá. Por lo tanto, existen tres tipos sistemas que se describen a continuación: a) SISTEMA RAMIFICADO.
En el tipo ramificado de red de distribución, la estructura del sistema es similar a un árbol. La Línea de alimentación o troncal es la principal fuente de suministro de agua, y de ésta se derivan todas las ramas. b) SISTEMA MALLA.
El rasgo distintivo del sistema en malla, es que todas las tuberías están interconectadas y no hay terminales.
26
c) SISTEMA COMBINADO.
De acuerdo con las características de la zona, son ampliaciones a la red de distribución en malla con ramas abiertas dando como resultando un sistema combinado 2.6.2. TIPOS DE TUBERÍA SEGÚN LOS MATERIALES USADOS EN LÍNEAS DE CONDUCCIÓN.
Los diferentes materiales utilizados en las tuberías de los sistemas de agua potable, son determinados de acuerdo a las presiones de trabajo en la red y la ubicación topográfica por donde será colocada dicha tubería, a continuación se mencionan los diferentes tipos de tuberías más utilizados en nuestro país:
a) Hierro fundido gris o dúctil. b) Acero. c) Plástico (PVC). d) Concreto Reforzado. e) Hierro galvanizado. a)
TUBERÍA DE HIERRO FUNDIDO.
Características Resistencia a la corrosión, en el cálculo hidráulico poseen en coeficiente “C” de Hazen Williams que se adopta en una tubería nueva es C = 130; en tubería usada (10 – 30 años) se utiliza C =100 y en tubería con recubrimiento de cemento C = 140. Diámetros. Los diámetros comerciales de Hierro Fundido Dúctil son: 3", 4", 6", 8", 10", 12", 14", 16", 18", 20", 24", 30", 36", 42", 48", 54", 60" b)
TUBERÍA DE HIERRO GALVANIZADO
Características Gran resistencia a sobre presiones (golpe de ariete), capacidad de acomodarse a cargas ofreciéndoles gran resistencia, capacidad de curvarse sin quebrarse, resistencia a
27
golpes, resistencia a la corrosión. Para cálculos hidráulicos el coeficiente C de Hazen Williams para tubería nueva se toma entre 120 y para tubería usada 100 (10 – 30 años). Diámetros. Diámetro (pulgadas) :1/2", 3/4", 1", 1 1/4", 1 1/2", 2", 2 1/2", 3", 3 1/2", 4", 5", 6", 8”, 10”, 12”.Cedula 40. Presiones de trabajo. Varían de acuerdo a los esfuerzos de tensión permisibles del tipo de hierro, diámetro, espesores de la tubería y las presiones vienen dados por las Normas ANSI ASTM A-53 c)
TUBERÍA DE PLÁSTICO PVC (CLORURO DE POLIVINILO).
El PVC es uno de los tres polímeros más importantes, en conjunto con el polietileno y el poliestireno. El PVC presenta diferentes tipos y grados de acuerdo a una clasificación de sus propiedades. El que se usa en tuberías para agua potable es tipo 1 grado1, el cual presenta unas propiedades mecánicas y químicas bastante altas excepto con el impacto. Para identificar los diferentes compuestos de PVC se han normalizado cuatro números en claves; donde el primero se refiere al tipo, el segundo al grado, el tercero y cuarto el esfuerzo de diseño hidrostático reducido en diez veces. Así por ejemplo, el PVC1120, es tipo 1, grado1, con un esfuerzo de diseño hidrostático de 200 Ib / pulg². Dimensión de la Tubería.
Está basado en determinación de espesores de pared, mediante la recomendación de ISO 161-2, de acuerdo a la siguiente ecuación que relaciona dimensiones del tubo, presión hidrostática de diseño y presión de trabajo:
(
)
(Ecuación 2.3)
Dónde: S = Esfuerzo hidrostático de diseño (Lbs/pulg2) P = Presión de trabajo (Lbs/pulg2) D = Diámetro exterior (pulg) e = Espesor de pared (pulg) I.S.O = Organización Internacional de Estandarización
28
Si se llama a la relación D/e (donde D = diámetro y e = espesor) como SDR (Standard Dimentions Ratio), la ecuación anterior se transforma en: (Ecuación 2.4) De la cual se desprende que tuberías de diferentes diámetros, que tengan un valor igual de SDR, están diseñados para la misma presión de trabajo. En base a estas relaciones se han normalizado las dimensiones de tuberías de PVC bajo denominaciones SDR, siendo las más comunes las siguientes: Tabla 2.3 Presiones de trabajo para tuberías PVC. RELACIONES SDR
PRESIONES DE
PVC 1120
TRABAJO Lbs./pulg2
13.5
315
17.0
250
21.0
200
26.0
160
32.5
125
41.0
100
51.01
80
Fuente: International Organization for Standardization (I.S.O)
Diámetros: 1/2", 3/4", 1", 1 1/4", 1 1/2", 2", 2 1/2", 3", 4", 6", 8", 10", 12", 15".
2.7. MÉTODOS DE DISEÑO DE REDES DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE. 2.7.1.
MÉTODO DE HARDY CROSS.
Simon, A.R. (1985). El método de Hardy Cross es un proceso de tanteos directos, los ajustes hechos sobre los valores previamente admitidos o adoptados, son calculados y controlados. En estas condiciones, la convergencia de los errores es rápida, obteniéndose casi siempre una precisión satisfactoria en los resultados, después de tres tanteos solamente. En dicho proceso se emplea la fórmula de resistencia de HazenWilliams, que se expresa a continuación,
(Ecuación 2.5)
29
Dónde: v = la velocidad en metros por segundo. D = el diámetro de los tubos en metros. Sf = la pérdida de carga unitaria (por metro de tubería) C = un coeficiente que depende del material.
De la sustitución de esa fórmula en la ecuación de continuidad:
(Ecuación 2.6)
(Ecuación 2.7)
Dónde: A = es el área hidráulica en metros cuadrados. Sf = perdidas por fricción. Q = es el caudal en metros cúbicos por segundo. Sustituyendo resulta:
(Ecuación 2.8)
El procedimiento que se sigue es el siguiente: 1. Se supone una serie de caudales iníciales, procediendo circuito con circuito con la condición de cumplir en cada nudo la ecuación de continuidad. ∑
∑
2. Calcular en cada tubería la perdida de carga 3. Sumar algebraicamente las pérdidas de carga en cada circuito (positivamente en el sentido de las agujas del reloj y negativas en sentido contrario.
4. Calcular para cada tubería el término
( ). Para Hazen Willian n=1.85.
5. Determinar para cada circuito:∑ [ ( )]
6. Calcular la corrección de caudales (ΔQ) para cada circuito
∑ ∑[ (
)]
:
30
7. Se corrigen los caudales asumidos en una cantidad ±ΔQ dependiendo del sentido. Para las tuberías que pertenecen a dos circuitos, debe aplicarse como corrección al caudal asumido en esa tubería la diferencia entre los ΔQ de ambos circuitos. 8. Continuar de forma similar hasta que los valores de ΔQ sean despreciables.
2.7.2 MÉTODO DE AJUSTES DE GRADIENTES HIDRÁULICOS
Simon, A.R. (1985), Por medio del método de Hardy-Cross se equilibra una red de distribución ensayando diámetros y caudales a criterio del diseñador, pero el resultado final de este equilibrio no siempre satisface las exigencias piezométrica y de flujo locales. Otras veces la dirección del flujo no es la más apropiada a las condiciones topográficas.
Al diseñar una red se conocen los gastos locales en cada uno de los tramos de los diferentes circuitos. Al asumir arbitrariamente un conjunto de diámetros, el método de Hardy-Cross proporciona las correcciones de los gastos en los diferentes tramos para lograr un balance piezométrico, pero estas correcciones pueden variar sustancialmente los gastos asumidos, originados en las necesidades locales, lo cual es inconveniente, ya que puede ser insuficiente o superabundante el flujo en los diferentes tramos del circuito, de tal modo que finalmente se obtiene un equilibrio para un conjunto de gastos diferentes de los asumidos como datos del problema.
El método de Ajustes de Gradiente Hidráulico orienta de inmediato al Ingeniero para seguir el camino respetando los gastos locales, de tal manera de balancear la red, escogiendo los diámetros más apropiados, tomando simultáneamente en consideración las condiciones topográficas y por ende las alturas piezométrica.
Pasos para el diseño de un sistema de distribución utilizando el método de Ajustes de Gradientes Hidráulicos.
Construir gráficamente cada circuito cerrado con su diagrama de flujo, proponiendo diámetros de tubería que satisfagan los consumos o gastos locales. Se asume que los gastos son proporcionales a las longitudes de los tramos, pero en general puede ser cualquier distribución. Debe respetarse la condición ΣQ = O, en cada nodo, sin embargo la libertad de escoger los caminos está restringido por el factor económico, que en este caso señalaría la conveniencia de aprovechar los mayores gradientes del terreno, para conducir la mayor cantidad de agua, sin dejar de lado la satisfacción de gastos locales. 31
El paso siguiente consiste en dibujar los perfiles del terreno de cada uno de los circuitos cerrados para lo cual se utilizan las elevaciones del mismo que corresponden a los nudos. A partir de un punto de entronque y conociendo la presión de trabajo y el caudal de alimentación, se extiende el equilibrio en todos los circuitos, trabajándolos uno por uno, para ello se utiliza la fórmula de Hazen Williams:
(Ecuación 2.9) Dónde: D = Diámetro en m. Q = Caudal de aducción, en
/s
C = Coeficiente de Hazen Williams. Sf = Perdidas de carga unitaria en m/m.
Finalmente se revisa que tanto las presiones y las velocidades, cumplan los parámetros establecidos en el Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE). 2.8. HERRAMIENTAS DE DISEÑO: SISTEMAS INFORMÁTICOS.
Existen diferentes herramientas de diseño en los cuales se utilizan software para computadoras, entre estos tenemos WaterCAD V8i que trabaja bajo el interfaz de Windows; tiene como ventaja el análisis, modelación y gestión de redes a presión (sistemas de distribución), por ello permite la simulación hidráulica de un modelo computacional representado en este caso por elementos tipo; línea(tramos de tubería), punto(nodos de consumo, tanques, reservorios, hidrantes) e híbridos(bombas, válvulas de control, regulación, etc.), también no tiene límites en cantidad de tuberías lo que hace un software muy eficiente, el cual es de uso libre y al cual recurriremos en el desarrollo del diseño al final de este capítulo.
32
CAPITULO III: MARCO METODOLOGICO 3. DISEÑO DEL SISTEMA DE ABASTECIMIENTO
3.1. PROYECCIÓN DE POBLACIÓN Por déficit de información censal de la Junta Vecinal José de San Martin se utilizará para proyectar la población únicamente los datos obtenidos de la base según los Censos Nacionales X de Población y V de Vivienda 2005 del Distrito Alto de la Alianza, se consideró una densidad poblacional de 5 hab/lote (promedio de la zona), por ello se calculó 4995, los cuales habitan en la Junta Vecinal José de San Martin.
Utilizando el Método de Proyección Geométrica tenemos que la población futura se obtiene utilizando la Ecuación 2.1 antes mencionada.
(Ecuación 2.1)
Para el caso del Pueblo Joven José de San Martin, los datos a utilizar son los siguientes:
Pa=
4995 hab
i=
2%
n=
20 años
Población futura para el final del periodo de diseño. De la Ecuación 2.1 Tabla 3.1 Proyección de Población Futura Año
Población
1
5094
2
5196
3
5300
4
5406
5
5514
6
5624
7
5737
8
5851
9
5968
10
6088
11
6210
12
6334 33
13
6461
14
6590
15
6722
16
6856
17
6993
18
7133
19
7276
20
7421
Población Futura
6189
Fuente: Reglamento Nacional de Edificaciones, (RNE 2010)
3.2. DEMANDA
Por lo expuesto en el presente capitulo se considera una demanda total de diseño de 70.06 l/s con el cual se procedió a la realización del modelamiento en WaterCAD V8i. 3.2.2. DEMANDA POBLACIONAL Para ello utilizaremos una dotación de 220 lt/hab/día, la cual es especificada en el reglamento nacional de edificaciones (RNE). 3.2.2.1. Caudal Medio Diario (Qmd)
El consumo medio diario de una población se calcula mediante la expresión siguiente, de la fórmula 2.3 del (RNE).
(2.3)
34
3.2.2.2 Caudal Máximo Diario (Qmàxd)
El consumo máximo diario se obtiene multiplicando el caudal medio diario por un factor de aumento especificado en el Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE). Factor máximo diario (RNE): 1.3
(2.4)
3.2.2.3.Caudal Máximo Horario (Qmaxh)
(2.5)
Factor Máximo Horario (RNE): 1.8 – 2.5; se usará 2.5 por las mismas condiciones expuestas en la determinación del caudal máximo diario utilizaremos el límite superior es decir un factor máximo horario igual a 2.5.
3.2.3. DEMANDA SERVICIOS COMUNES Y PUBLICOS FUTURA
De acuerdo al Reglamento Nacional de Edificaciones, se procede al cálculo de la demanda en servicios comunes y públicos futura. Tabla 3.2 Demanda de uso de servicios comunes y públicos situación futura DEMANDA SERVICIOS COMUNES Y PUBLICOS ACTUAL Descripción
área (m2)
dotación (l/m2)
Demanda
Ministerio Publico
1160
3
3480
PRONAA
2500
3
7500
Plaza Principal
7000
1.5
10500
Educación C.E.I 337
1150
2.5
2875
Iglesia Virgen de Copa Cabana
1250
2
2500
P.N.P
700
2
1400 35
Centro de Salud
550
2.5
1375
Parque la juventud
1700
1.5
2550
Campo deportivo
3400
1.5
5100
Educación C.E. Don José de San
5800
2.5
14500
3500
1.5
5250
Martin Plaza San Martin Demanda
(lt/día)
57030.00
(m3/día)
57.03
(m3/año)
20815.95
(lt/s)
0.66
Fuente: Plano Catastral Pueblo Joven José de San Martin (2012) 3.2.4. DEMANDA CONTRA INCENDIO
Según el Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE), la demanda para áreas destinadas netamente a viviendas: se considera 15 l/s. 3.3. ASPECTOS A CONSIDERAR EN EL USO DE WATERCAD V8I PARA LA CREACIÓN DE MODELOS DE SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO.
En esta sección se da una explicación breve del software utilizado para la modelación y diseño del Sistema de Abastecimiento de la Junta Vecinal José de San Martin.
WaterCAD V8i es un programa de ordenador que realiza simulaciones en periodos extensos del comportamiento hidráulico y de la calidad del agua en redes de suministro por gravedad y a presión. Una red suele estar constituida por:
1. Embalses (fuentes de abastecimiento como manantiales o pozos) 2. Tuberías, nudos (uniones de tuberías) 3. Bombas (Para sistemas que no funcionan por gravedad) 4. Válvulas 5. Depósitos de almacenamiento (Tanques)
36
Con WaterCAD V8i se puede realizar un seguimiento de la evolución de los caudales en las tuberías, las presiones en los nudos, los niveles en los depósitos, y la concentración de las especies químicas presentes en el agua, a lo largo de un periodo de simulación; además de simular el tiempo de permanencia del agua en la red y su procedencia desde las diversas fuentes de suministro.
WaterCAD V8i trabaja bajo ambiente Windows, lo cual facilita su uso en el modelado de la red, la edición de datos de entrada a la red, la realización de simulaciones hidráulicas y de la calidad del agua, y en la visualización de resultados en una amplia variedad de formatos. Entre éstos se incluyen mapas de la red codificados por colores y tablas numéricas. 3.3.1. CAPACIDAD PARA LA ELABORACIÓN DE MODELOS HIDRÁULICOS
Dos de los requisitos esenciales para poder construir con garantías un modelo de la calidad del agua son la potencia de cálculo y la precisión del modelo hidráulico utilizado. WaterCAD V8i contiene un simulador hidráulico muy avanzado que ofrece las siguientes prestaciones:
No existe límite en cuanto al tamaño de la red que puede procesarse.
Las pérdidas de carga pueden calcularse mediante las fórmulas de Hazen Williams, de Darcy Weisbach o de Chezy-Manning.
Contempla pérdidas menores en codos, accesorios, etc.
Admite bombas de velocidad fija o variable.
Determina el consumo energético y sus costes.
Permite considerar varios tipos de válvulas, tales como válvulas de corte, de retención, y reguladoras de presión o caudal.
Admite depósitos de geometría variable (es decir, cuyo diámetro varíe con el nivel).
Permite considerar diferentes tipos de demanda en los nudos, cada uno con su propia curva de modulación en el tiempo.
Permite modelar tomas de agua cuyo caudal dependa de la presión (ej. rociadores).
Admite leyes de control simples, basadas en el valor del nivel en los depósitos o en la hora prefijada por un temporizador, y leyes de control más complejas basadas en reglas lógicas.
37
3.3.2. PASOS PARA UTILIZAR WATERCAD V8I
El uso de WaterCAD V8i es muy extenso y se vuelve un poco complejo dependiendo del tamaño de la red, el tipo de análisis hidráulico y del tipo de análisis de calidad del agua. A continuación trataremos de explicar de la forma más sencilla los pasos llevados a cabo para la realización de la red de Agua Potable del Pueblo Joven José de San Martin en el cual no se incluye un análisis de la calidad del agua en la red. Los pasos seguidos se describen a continuación: 1. En el Menú despegable seleccionar File/New ó Ctrl+N. Figura 3.1 Creacion de un nuevo modelo
Fuente: WaterCAD V8i Luego, al crear un nuevo modelo, en primer lugar se deberá definir la configuración básica del Proyecto. Para ello en el menú Analysis seleccionar Calculation Options (Opciones de cálculo).
2. En la ventana de la derecha, aceptaremos la configuración por defecto que se muestra. Así tenemos que la ecuación de Hazen – Williams se usará como método de cálculo de la fricción (Friction Method).
3. Ver que el tipo de análisis (Time Analysis Type), seleccionado es en Estado Estático (Steady State). 4. Como líquido a modelar se considera Water at 20C (68F) (Liquid).
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Figura 3.2 Configuración de las propiedades
Fuente: WaterCAD V8i
Cabe señalar que:
WaterCAD/GEMS, puede modelar tuberías a presión con diferentes fluidos a diversas temperaturas
Para balancear hidráulicamente la red, utiliza el Método de Gradiente, que es iterativo.
Con respecto a las opciones generales del proyecto, es necesario definir el sistema de unidades de nuestra preferencia, los colores de fondo y frontales, los tamaños de los textos y símbolos. Para el caso de las opciones generales del Proyecto, es necesario definir lo siguiente: Ahora en el menú Tools elegimos Options.
39
En el presente modelamiento, trabajaremos en forma escalada (La longitud en el modelo es real)
5. Por lo que, en la etiqueta , en la sección Drawing Scale, seleccione scaled Introducir 4 en Symbol Size Multiplier y 1 en Text Height Multiplier, en la sección Annotation Multipliers, (multiplicadores de anotación) como los valores multiplicadores para las anotaciones y símbolos del dibujo. Figura 3.3 Configuraciones del dibujo
Fuente: WaterCAD V8i Asimismo, debemos verificar el sistema de unidades con la cual estará configurado el Proyecto. En la ventana Options, en la etiqueta , en , seleccionar SI (System International)
También en Default Unit System for New Project, seleccionar SI (Sistema Internacional). Luego, hacer clic OK.
40
Figura 3.4 Configuración de Unidades en WaterCAD V8i
Fuente: WaterCAD V8i El WaterCAD/GEMS, ofrece asignar valores por defecto a cada uno de los prototipos a utilizar en el modelo hidráulico. Para ello, vaya al menú View y seleccionar Prototypes. Hacer click en el botón New, para crear un nuevo prototipo (Pipe Prototype-1)
41
Figura 3.5 Configuración de las propiedades de las tuberías en WaterCAD V8i
Fuente: WaterCAD V8i
Para el caso de las tuberías (Pipe), en la ventana de diálogo de la derecha configurar como se muestra, donde se considera como datos por defecto: Diámetro = 152.4 mm Material = PVC Hazen y William C = 150 Luego cerrar la ventana Prototypes (Prototipos).
Recordar que estos serán datos que por defecto contendrá cada tubería al inicio, luego se podrá modificar sus datos para cada uno de ellos. Para recuperar la planimetría de la zona de estudio, se puede realizar lo siguiente, estando trabajando en WaterCAD /GEMS:
En el menú despegable View, seleccionamos la opción Background Layers. Figura 3.6 Configuración del formato CAD en WaterCAD V8i
Fuente: WaterCAD V8i
42
En la ventana de diálogo Background Layers. En el primer botón, elegir New File.
Figura 3.7 Creación de un nuevo archivo DXF en WaterCAD V8i
Fuente: WaterCAD V8i En la PC, ubicar y abrir el archivo “DISTRIBUCION DE AGUA POTABLE.dxf”.
Figura 3.8 Selección del archivo DXF en WaterCAD V8i
Fuente: WaterCAD V8i
Observar que el WaterCAD/GEMS, puede insertar planimetrías de la zona de Estudio en diversos formatos: DXF, SHP, BMP, JPG, JPEG, JPE, TIFF, etc.
43
3.3.3.
UBICACIÓN
DE
COMPONENTES
Y
TRAZADO
DE
LA
RED
DE
DISTRIBUCIÓN DE AGUA.
Luego de recuperar la planimetría, se inicia con ubicar cada uno de los componentes de la red de distribución y el trazado de las tuberías, para ello hacer uso de los Prototipos (reservoir, Pressure Pipe y Pressure Junction). Figura 3.9 Ubicación de las tuberías y uniones en WaterCAD V8i
Fuente: WaterCAD V8i Ingreso de datos – entering data A. Ingresando datos a través de ventanas de diálogo Hacer doble click sobre el reservoir “R-1” (O haciendo click derecho y seleccionar Properties). En la ventana ingresar en: Physical: - Elevación: 684 m.s.n.m. Recordar que el WaterCAD/GEMS, calcula las cotas piezométricas a partir de la elevación (Elevation ).
44
Figura 3.10 Propiedades del Reservorio en WaterCAD V8i
Fuente: WaterCAD V8i B.
Ingresando Datos a través Tablas Flexibles – FlexTables:
Para el presente Taller, ingresaremos los datos de las tuberías y de las uniones, haciendo uso de tablas. 1. Hacer click en el botón FlexTables ó Ctrl + 7, para mostrar las tablas dinámicas. Seleccionar Pipe Table. Figura 3.11 Tablas de tuberías en WaterCAD V8i
Fuente: WaterCAD V8i 2. Para el caso de las Uniones a presión seleccionar la Tabla de Reporte de Uniones a Presión – Junction Table. 45
Ingresar la elevación (Elevation) de cada unión.
Figura 3.12 Tablas de nudos en WaterCAD V8i
Fuente: WaterCAD V8i C.
Asignación de la demanda
Para asignar la demanda requerida en cada uno de las uniones, hacer click en Demand Control Center (Centro de Control de Demandas) En el mensaje hacer click en Yes (Si)
Figura 3.13 Asignación de demanda en WaterCAD V8i
Fuente: WaterCAD V8i
Luego, en la ventana de Demand Control Center (Centro de Control de Demandas), hacer click en el primer botó de la izquierda y seleccionar Initialize Demands for All Elements.
46
Asignar la demanda a cada unión, como se muestra en la ventana siguiente: Figura 3.14 Asignación en el cuadro de demandas en WaterCAD V8i
Fuente: WaterCAD V8i
47
CAPITULO IV: MODELACION Y ANALISIS DE LA RED DE ABASTECIMIENTO 4. MODELACIÓN Y ANÁLISIS DE LA RED DE ABASTECIMIENTO DEL PUEBLO JOVEN JOSE DE SAN MARTIN UTILIZANDO EL SOFTWARE WATERCAD V8i. 4.1. MODELADO DEL SISTEMA COMPLETO
Con la información disponible elaboramos el modelo WaterCAD V8i, las condiciones reales de la zona de estudio, nos permitieron generar un modelo muy completo en cuanto a la inclusión de elementos físicos. Se utilizaron reservorio, tuberías, nudos, válvulas, el caso de equipos electromecánicos como electrobombas no fue necesario utilizar por las ventajas de diferencias topográficas existentes en la zona.
En cuanto a los componentes no físicos, se utilizaron los patrones de tiempo, específicamente con las curvas de modulación. La curva utilizada en el presente trabajo mostrada en la figura 4.1 Figura 4.1 Curva de Modulación
Fuente: WaterCAD V8i
Esta curva de modulación nos indica el consumo diario para la categoría de usuario de vivienda familiar, en donde apreciamos el consumo en horas de demanda máxima.
48
Paso seguido modelamos la red de distribución usando elementos como nudos de demandas, de conexión y tuberías. En la figura 3.2, se muestra el modelo de la red en WaterCAD V8i. Figura 4.2 Modelo de la Red en WaterCAD V8i
Fuente: WaterCAD V8i
El primer elemento del sistema es el reservorio, este se ubica en la zona más alejada de la red, aproximadamente 10 km. Lo cual nos hizo evaluar dicha condición y se tomó la decisión de modelar un reservorio o embalse próximo con una carga similar a la que produciría dicho reservorio. Indudablemente esta es una de las grandes ventajas que ofrecen las herramientas informáticas en el caso de los modelos hidráulicos.
Este elemento es modelado como un reservorio, abierto a la atmosfera y bajo la premisa que es a régimen permanente, es decir inagotable, su nivel invariable en el tiempo.
El reservorio, es el elemento del sistema que regula las descargas, todo el abastecimiento y seguridad o garantía de cubrir las demandas depende de este elemento, por tanto su correcto dimensionamiento es muy importante para el éxito del sistema.
49
Figura 4.3 Modelado del reservorio en WaterCAD V8i
Fuente: WaterCAD V8i
Entre el reservorio denotado con el código R-1, y el inicio de la red de distribución, se tiene una tubería de PVC, clase 5 y con un diámetro nominal de 200mm. Esta tubería conduce el agua desde el reservorio en una zona de cota superior a la zona de servicio, permite garantizar presiones adecuadas de servicio.
Finalmente la red propuesta, conduce el agua hacia todo el asentamiento humano rural, utilizando una serie de nudos tanto de conexión como de demanda y tuberías, tal como se muestra en la Figura 4.4 Figura 4.4 Red de distribución de agua en WaterCAD V8i
Fuente: WaterCAD V8i 50
4.2. SIMULACION HIDRAULICA DEL SISTEMA
4.2.1.
PERIODOS DE SIMULACIÓN
Una vez elaborado el modelo, usando componentes físicos y no físicos, procedemos a efectuar las simulaciones, para lo cual lo realizamos normalmente en dos etapas, la primera corresponde a la simulación en régimen permanente y la segunda en régimen no permanente o también llamada de periodo extendido. 4.2.1.1. Simulación en periodo simple Los consumos en nudos, la piezometria y las características de los elementos de regulación no sufren alteraciones a los largo del tiempo. 4.2.1.2. Simulación en periodo extendido El variable tiempo se considera explícitamente. En todo caso considera que los tiempos de maniobra son muy superiores a los tiempos de viaje de las ondas de forma que no existe golpe de ariete. 4.3. SIMULACION EN REGIMEN SIMPLE O PERMANENTE
En este caso, desarrollamos el modelo en condiciones invariables, es decir no hay dependencia del tiempo, es como si tomáramos una topografía a un instante de tiempo “T”, preestablecida y el análisis hidráulico lo realizaremos en ese estado único. Figura 4.5 Simulación en régimen permanente en WaterCAD V8i
Fuente: WaterCAD V8i
51
En la tabla 4.1, se muestra las presiones resultantes en régimen permanente según el estado de nudos en la red. Tabla 4.1 Estado de los nudos de la red régimen permanente Nudos
Cotas (m)
Grado Hidráulico (m)
Presión (m H2O)
M-11,14
632.8
672.62
39.74
M-A
638.5
664.25
25.7
M-4
640.5
662.37
21.82
M-1
642.3
661.7
19.36
M-2
644.6
660.52
15.89
M-3
642.4
660.61
18.17
M-5
642.6
661.44
18.8
M-6
639
660.69
21.65
M-B
640
663.74
23.69
M-C
640.5
662.39
21.84
M-7
640.5
661.49
20.95
M-8
638.7
660.83
22.09
M-9
638.9
661.44
22.49
M-10
632.8
660.78
27.92
M-12,15
634.6
671.66
36.98
M-13,16
635.1
668.23
33.06
M-17
630.3
671.76
41.37
M-18
632
669.29
37.22
M-19
632.2
667.75
35.48
M-20
628
668.42
40.34
M-21
629.7
667.65
37.87
M-D
629.9
666.54
36.57
M-E
628.8
666.54
37.67
M-F
625.4
666.15
40.67
M-22
627.5
664.6
37.02
M-23
627
663.86
36.78
M-24
623
661.92
38.85
M-25
625.3
660.8
35.43
M-26
624
660.3
36.23
M-27
620.7
659.36
38.58
M-28
623.1
657.18
34.02
M-29
623.3
656.6
33.23
M-30
623
656.36
33.29
52
M-31
621.2
656.23
34.96
M-32
620.7
656.13
35.36
M-33
620
656.12
36.04
M-34
617.8
658.18
40.3
M-G
619.5
655.97
36.4
M-35
617.5
653.87
36.3
M-36
618.1
650.02
31.85
M-37
615.1
647.67
32.51
684
684
0
R-1
Fuente: WaterCAD V8i
Según los resultados en la tabla 4.1, estamos frente a un caso típico presiones normales y superiores entre 15 m.c.a y 41 m.c.a, estas presiones podemos considerarlas como aceptables para el abastecimiento poblacional, las cuales cumplen con El Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE).
En la tabla 4.2 se muestra, se muestra las velocidades resultantes en régimen permanente según el estado de las tuberías en la red. Tabla 4.2 Estado de las Líneas de la red régimen permanente Tubería
Diámetro (mm)
Flujo (L/s)
Velocidad (m/s)
P-1
110
26.99
2.84
P-2
110
20.96
2.21
P-3
110
11.9
1.25
P-4
110
10.72
1.13
P-5
75
-4.28
0.97
P-6
50
-0.27
0.14
P-7
110
7.81
0.82
P-8
75
2.49
0.56
P-9
90
5.9
0.93
P-10
75
5.78
1.31
P-11
75
5.69
1.29
P-12
75
2.33
0.53
P-13
75
1.11
0.25
P-14
75
1.15
0.26
P-15
110
7.91
0.83
P-16
75
5.66
1.28
P-17
160
33.77
1.68 53
P-18
75
4.8
1.09
P-19
75
3.69
0.84
P-20
110
27.79
2.92
P-21
90
4.19
0.66
P-22
75
3.08
0.7
P-23
75
0.06
0.01
P-24
110
22.29
2.35
P-25
75
3.74
0.85
P-26
75
2.48
0.56
P-27
90
18.38
2.89
P-28
75
3.15
0.71
P-29
75
1.97
0.45
P-30
90
14.05
2.21
P-31
75
4.5
1.02
P-32
75
3.63
0.82
P-33
75
2.52
0.57
P-34
75
1.65
0.37
P-35
75
1.82
0.41
P-36
90
0.95
0.15
P-37
90
8.52
1.34
P-38
75
7.37
1.67
P-39
75
7.31
1.65
P-40
75
6.2
1.4
P-41
75
5.37
1.22
P-46
75
-5.17
1.17
P-47
75
-1.07
0.24
P-49
75
1.38
0.31
P-50
75
3.37
0.76
P-51
75
5.91
1.34
P-52
75
8.91
2.02
P-53
75
10.28
2.33
P-54
75
11.18
2.53
P-55
75
10.5
2.38
P-56
90
15
2.36
P-57
90
15
2.36
P-63
200
70.13
2.23
Fuente: WaterCAD V8i
En cuanto a las velocidades en las tuberías, en parte de la red las velocidades están arriba de 0.5 m/s, pero alguno de ellos están por debajo de este valor. Se tiene que en 54
este mejoramiento los diámetros mínimos han sido asumidos como 75mm, lo que genera que algunas velocidades sean bajas debido a los caudales reducidos que se manejan en la red. 4.4. SIMULACIÓN EN RÉGIMEN NO PERMANENTE O EXTENDIDO
En este caso, haremos nuestro modelo más realista, es decir trataremos de aproximarlo a la realidad, por ende utilizaremos una curva de modulación (time pattern), para que la demanda en los nudos varié de forma periódica a lo largo del día. En tal sentido utilizaremos un intervalo de 04 horas, de tal forma que proponemos que la demanda varié 6 veces al día.
Se procedió a efectuar las simulaciones hidráulicas desde las 00 horas hasta las 24 horas con intervalos de 04 horas, con lo que se generó 6 periodos de simulación.
Figura 4.6 Esquema de Presiones resultantes a las 00:00 y 04:00 en la red de distribución
Fuente: WaterCAD V8i
55
Figura 4.7 Esquema de Presiones resultantes a las 08:00 en la red
Fuente: WaterCAD V8i
56
Figura 4.8 Esquema de Presiones resultantes a las 12:00 en la red
Fuente: WaterCAD V8i
57
Figura 4.9 Esquema de Presiones resultantes a las 16:00 en la red
Fuente: WaterCAD V8i
58
Figura 4.10 Esquema de Presiones resultantes a las 20:00 en la red
Fuente: WaterCAD V8i
59
En la tabla 4.3, se muestra la variación de presiones en todos los nudos de la red, en un periodo de 24 horas de simulación. En el siguiente cuadro se muestran los resultados con una frecuencia de 4 horas.
Tabla 4.3 Variaciones de presiones horarias en la red Parámetros Estadísticos
Presiones (m H2O) Nudo
Cota (m)
M-11,14
632.8
00:00 hr 45.01
08:00 hr 40.91
12:00 hr 36.55
16:00 hr 39.74
20:00 hr 43.59
24:00 hr 45.01
M-A
638.5
34.08
27.54
20.7
25.7
31.79
34.08
29.0
M-4
640.5
30.86
23.82
16.45
21.82
28.39
30.86
25.4
M-1
642.3
28.54
21.38
13.9
19.36
26.03
28.54
23.0
M-2
644.6
25.39
17.99
10.24
15.89
22.8
25.39
19.6
M-3
642.4
28.02
20.33
12.43
18.17
25.32
28.02
22.0
M-5
642.6
28.27
20.89
13.18
18.8
25.69
28.27
22.5
M-6
639
31.48
23.8
15.89
21.65
28.78
31.48
25.5
M-B
640
32.3
25.59
18.58
23.69
29.95
32.3
27.1
M-C
640.5
31.03
23.86
16.4
21.84
28.52
31.03
25.4
M-7
640.5
30.51
23.05
15.29
20.95
27.9
30.51
24.7
M-8
638.7
32.13
24.31
16.09
22.09
29.4
32.13
26.0
M-9
638.9
32.1
24.6
16.81
22.49
29.47
32.1
26.3
M-10
632.8
38
30.15
21.9
27.92
35.26
38
31.9
M-12,15
634.6
42.82
38.29
33.43
36.98
41.25
42.82
39.3
M-13,16
635.1
40.7
34.77
28.39
33.06
38.65
40.7
36.0
M-17
630.3
47.07
42.64
37.92
41.37
45.53
47.07
43.6
M-18
632
44.27
38.8
32.91
37.22
42.38
44.27
40.0
M-19
632.2
43.29
37.23
30.71
35.48
41.19
43.29
38.5
M-20
628
47.6
41.96
35.94
40.34
45.64
47.6
43.2
M-21
629.7
45.57
39.59
33.19
37.87
43.5
45.57
40.9
M-D
629.9
44.82
38.41
31.55
36.57
42.6
44.82
39.8
M-E
628.8
45.92
39.51
32.65
37.67
43.7
45.92
40.9
M-F
625.4
48.91
42.5
35.68
40.67
46.69
48.91
43.9
M-22
627.5
46.07
39.04
31.53
37.02
43.63
46.07
40.6
M-23
627
46.13
38.87
31.12
36.78
43.61
46.13
40.4
M-24
623
48.83
41.06
32.83
38.85
46.13
48.83
42.8
M-25
625.3
45.93
37.76
29.09
35.43
43.09
45.93
39.5
M-26
624
46.87
38.59
29.81
36.23
43.99
46.87
40.4
M-27
620.7
49.51
41
32.02
38.58
46.54
49.51
42.9
M-28
623.1
45.79
36.62
26.96
34.02
42.59
45.79
38.6
P. Media 41.8
60
M-29
623.3
45.18
35.88
26.09
33.23
41.93
45.18
37.9
M-30
623
45.25
35.94
26.15
33.29
42
45.25
38.0
M-31
621.2
46.86
37.6
27.84
34.96
43.63
46.86
39.6
M-32
620.7
47.33
38.01
28.19
35.36
44.08
47.33
40.1
M-33
620
48.03
38.7
28.86
36.04
44.77
48.03
40.7
M-34
617.8
49.02
42.8
33.54
40.3
48.52
49.02
44.7
M-G
619.5
48.18
39
29.36
36.4
44.97
48.18
41.0
M-35
617.5
48.54
39
29.01
36.3
45.2
48.54
41.1
M-36
618.1
44.51
34.64
24.35
31.85
41.05
44.51
36.8
M-37
615.1
45.12
35.28
25.02
32.51
41.67
45.12
37.5
684
0
0
0
0
0
0
R-1
0
Fuente: WaterCAD V8i
Se puede apreciar que en la hora de máxima demanda (12:00) existen presiones entre 11 m.c.a y 36 m.c.a en los nudos, también ese aprecia que en las horas (20:00 y 24:00) existen presiones entre 25 m.c.a y 45 m.c.a en los nudos. Lo cual nos indican que el sistema en demanda máxima diaria logra abastecer a la población requerida y cumplen satisfactoriamente con el Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE).
La variación de las presiones en periodo considerando los nudos, se muestra en el grafico 4.1.
Grafico 4.1 Variación Horaria de la presión en los nudos 60 50 00:00 hr
40
08:00 hr
30
12:00 hr
20
16:00 hr
10
20:00 hr 24:00 hr M-11,14 M-4 M-2 M-5 M-B M-7 M-9 M-12,15 M-17 M-19 M-21 M-E M-22 M-24 M-26 M-28 M-30 M-32 M-34 M-35 M-37
0
Fuente: WaterCAD V8i
61
Figura 4.11 Esquema de numeración de tuberías de la Red de Distribución
Fuente: WaterCAD V8i
En la figura anterior se muestra la forma de identificar las tuberías del Sistema, asignándole números conforme se fue creando el modelo en WaterCAD V8i.
En la tabla 4.4, se muestra la variación de velocidades en todas las tuberías de la red, en un periodo de 24 horas de simulación. En el siguiente cuadro se muestran los resultados con una frecuencia de 4 horas.
Tabla 4.4 Variaciones de velocidades en la red
Tubos P-1 P-2 P-3 P-4 P-5 P-6 P-7 P-8
Diámetro (mm) 110 110 110 110 75 50 110 75
Parámetros Estadísticos
Velocidad (l/s) 00:00 hr 2.21 1.75 1.1 1.04 1.17 0.33 0.58 0.4
08:00 hr 2.71 2.11 1.22 1.11 1.01 0.18 0.77 0.53
12:00 hr 2.98 2.44 1.34 1.18 0.85 0.03 0.93 0.61
16:00 hr 2.84 2.21 1.25 1.13 0.97 0.14 0.82 0.56
20:00 24:00 hr hr 2.4 2.21 1.88 1.75 1.14 1.1 1.06 1.04 1.11 1.17 0.28 0.33 0.66 0.58 0.45 0.4
V. Media 2.56 2.02 1.19 1.09 1.05 0.22 0.72 0.49
62
P-9 P-10 P-11 P-12 P-13 P-14 P-15 P-16 P-17 P-18 P-19 P-20 P-21 P-22 P-23 P-24 P-25 P-26 P-27 P-28 P-29 P-30 P-31 P-32 P-33 P-34 P-35 P-36 P-37 P-38 P-39 P-40 P-41 P-46 P-47 P-49 P-50 P-51 P-52 P-53
90 75 75 75 75 75 110 75 160 75 75 110 90 75 75 110 75 75 90 75 75 90 75 75 75 75 75 90 90 75 75 75 75 75 75 75 75 75 75 75
0.68 0.96 0.95 0.26 0.13 0.13 0.52 0.86 1.17 0.71 0.58 2.08 0.42 0.48 0.01 1.73 0.57 0.43 2.17 0.51 0.37 1.72 0.78 0.68 0.56 0.46 0.21 0.07 1.1 1.45 1.45 1.32 1.23 1.15 0.43 0.27 0.6 1.05 1.52 1.82
0.88 1.24 1.22 0.47 0.23 0.23 0.77 1.2 1.58 1.01 0.79 2.75 0.61 0.65 0.01 2.22 0.79 0.53 2.75 0.67 0.43 2.11 0.97 0.79 0.57 0.39 0.37 0.13 1.29 1.62 1.61 1.39 1.22 1.17 0.28 0.31 0.73 1.28 1.92 2.23
1.04 1.47 1.44 0.66 0.31 0.33 0.99 1.49 1.94 1.28 0.96 2.98 0.78 0.81 0.02 2.66 0.99 0.63 2.95 0.82 0.48 2.45 1.14 0.89 0.58 0.33 0.51 0.19 1.46 1.78 1.76 1.45 1.21 1.19 0.14 0.3 0.84 1.48 2.26 2.58
0.93 1.31 1.29 0.53 0.25 0.26 0.83 1.28 1.68 1.09 0.84 2.92 0.66 0.7 0.01 2.35 0.85 0.56 2.89 0.71 0.45 2.21 1.02 0.82 0.57 0.37 0.41 0.15 1.34 1.67 1.65 1.4 1.22 1.17 0.24 0.31 0.76 1.34 2.02 2.33
0.76 1.07 1.06 0.34 0.16 0.17 0.61 0.98 1.32 0.82 0.66 2.33 0.49 0.55 0.01 1.91 0.65 0.47 2.38 0.57 0.4 1.87 0.85 0.72 0.56 0.43 0.27 0.1 1.17 1.52 1.51 1.35 1.22 1.16 0.38 0.29 0.65 1.14 1.67 1.97
0.68 0.96 0.95 0.26 0.13 0.13 0.52 0.86 1.17 0.71 0.58 2.08 0.42 0.48 0.01 1.73 0.57 0.43 2.17 0.51 0.37 1.72 0.78 0.68 0.56 0.46 0.21 0.07 1.1 1.45 1.45 1.32 1.23 1.15 0.43 0.27 0.6 1.05 1.52 1.82
0.83 1.17 1.15 0.42 0.20 0.21 0.71 1.11 1.48 0.94 0.74 2.52 0.56 0.61 0.01 2.10 0.74 0.51 2.55 0.63 0.42 2.01 0.92 0.76 0.57 0.41 0.33 0.12 1.24 1.58 1.57 1.37 1.22 1.17 0.32 0.29 0.70 1.22 1.82 2.13 63
P-54 P-55 P-56 P-57 P-63
75 75 90 90 200
2.07 2.27 2.36 2.36 1.59
2.44 2.36 2.36 2.36 2.1
2.76 2.43 2.36 2.36 2.55
2.53 2.38 2.36 2.36 2.23
2.21 2.3 2.36 2.36 1.79
2.07 2.27 2.36 2.36 1.59
2.35 2.34 2.36 2.36 1.98
Fuente: WaterCAD V8i
Como se puede apreciar en la tabla 4.4, las velocidades máximas calculadas por el modelamiento de la red, nos indican que el sistema en demanda máxima diaria logra abastecer a la población requerida y cumplen satisfactoriamente con el Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE).
Grafico 4.2 Variación horaria de las velocidades en las tuberías 3.5 3 2.5
00:00 hr 08:00 hr
2
12:00 hr 1.5
16:00 hr 20:00 hr
1
24:00 hr 0.5
P-63
P-55
P-52
P-49
P-41
P-38
P-35
P-32
P-29
P-26
P-23
P-20
P-17
P-14
P-11
P-8
P-5
P-2
0
Fuente: WaterCAD V8i
A continuación se detalla gráficamente los resultados dados en esta tabla para la sección de la Red de Distribución, así como la dirección del flujo que tiene el caudal dentro de la red.
64
Figura 4.12 Esquema de Velocidades resultantes a las 00:00 y 24:00 en la red
Fuente: WaterCAD V8i
65
Figura 4.13 Esquema de Velocidades resultantes a las 08:00 en la red
Fuente: WaterCAD V8i
66
Figura 4.14 Esquema de Velocidades resultantes a las 12:00 en la red
Fuente: WaterCAD V8i
67
Figura 4.15 Esquema de Velocidades resultantes a las 16:00 en la red
Fuente: WaterCAD V8i
68
Figura 4.16 Esquema de Velocidades resultantes a las 20:00 en la red
Fuente: WaterCAD V8i
69
4.5. OBSERVACIONES DE RESULTADOS.
Después de efectuar y calcular el modelo del sistema completo en WaterCAD V8i el criterio es verificar puntos clave en el sistema de abastecimiento, éstos se enlistan a continuación: 4.5.1
PRIMER PUNTO DE LA RED (NUDO M-11,14)
ID nudo M-11,14
Tabla 4.5 12:00 M Hora de Máxima Demanda Cota(m) Demanda (l/s) Altura (m) Presión (m.c.a) 632.8
1.82
669.42
36.55
Fuente: WaterCAD V8i
Se observa en la tabla 4.5 que la presión en el primer punto de la red es favorable el cual abastece la demanda para la población requerida cumpliendo así con el Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE)
4.5.2
PUNTOS MÁS ALEJADOS DE LA RED
M-10
Tabla 4.6 12:00 M Hora de Máxima Demanda 632.8 1.44 654.74
21.9
M-33
620
1.19
648.92
28.86
M-37
615.1
1.09
640.17
25.02
M-E
628.8
0.08
661.51
32.65
Fuente: WaterCAD V8i Se observa en la tabla 4.6 que son los puntos más desfavorables de la red, pero presenta una cantidad favorable de presión el cual cumple con la demanda requerida por la población y cumple con el Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE).
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CAPITULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 CONCLUSIONES
Con la nueva red de distribución de la Junta Vecinal José de San Martin se resuelve satisfactoriamente el desabastecimiento existente en la zona alta de la junta Vecinal; ya que por medio de los resultados obtenidos en la simulación realizada en WaterCAD V8i (programa utilizado como herramienta de diseño), podemos garantizar que la red podrá dar cumplimiento a la demanda proyectada, para un periodo de diseño de 20 años.
Usando el modelo numérico en WaterCAD V8i, se efectuaron las simulaciones en primer término en régimen permanente y en segundo término en régimen no permanente, transitorio o periodo extendido, la cual puede mostrar los diferentes reportes y principalmente la variación optima de presiones en los nudos y velocidades en las tuberías de la red. Se concluye que las presiones obtenidas en los nudos en régimen permanente varian de 11 m.c.a a 36 m.c.a, en el cual se puede apreciar un comportamiento óptimo y el mejoramiento realizado es visible. Cumpliendo con el Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE). Se concluye que las presiones obtenidas en los nudos de régimen no permanente varían de 15 m.c.a a 41 m.c.a, en el cual se puede apreciar un comportamiento aceptable para uso poblacional. Obteniendo un mejoramiento óptimo.
Se concluye que se logró mejorar la red de distribución de agua para uso poblacional, el cual fue transformado en un modelo numérico topológico para la simulación hidráulica de la red de distribución de agua potable, utilizando así el software WaterCAD V8i de libre disponibilidad en la web.
71
5.2. RECOMENDACIONES
Se recomienda que la red de distribución dada se tome en consideración para cualquier implementación o mejoramiento de la red de distribución de la Junta Vecinal José de San Martin. En un diseño de red de distribución de agua potable, es recomendable emplear formas de comprobación o validación de resultados, al tratarse de técnicas eminentemente matemáticas, lo que dará seguridad y optimización sobre los resultados obtenidos. Se recomienda que para la realización de proyectos de mejoramiento e implementación se diseñe la demanda con los registros de consumo, para obtener un óptimo desempeño de la red. Se recomienda que para la realización de proyectos de renovación y mejoramiento se realice la calibración de las distribuciones de redes existentes en programas informáticos como el WaterCAD V8i para realizar un eficiente proyecto. Se recomienda que al realizar el modelamiento y simulación de la nueva red de distribución, verificar que los puntos de más alejados de la red cumplan con las presiones establecidas en el Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE). La metodología utilizada en la presente investigación es aplicable a los diferentes problemas que se presentan en el campo de acción de la ingeniería hidráulica, en especial en lo que corresponde a las redes de distribución de agua potable, pero es recomendable su aplicación, con la garantía de que los datos de campo son confiables, especialmente la topografía.
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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Fair, G.M.; Geyer, J.C., y Okun, D.A. (2010). Abastecimiento de agua y remoción de aguas residuales (1ra ed.). México: Limusa. Recuperado de http://bibliotecaduitama.wordpress.com/2011/04/04/abastecimiento-de-agua-yremocion-de-aguas-residuales-fair-gordon-maskew/
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Universidad Nacional de Ingeniería (2011). Modelamiento computarizado de sistemas de distribución de agua. (1ra ed.). Lima, Peru: Ing. Yuri Marco Sanchez Merlo. Recuperado de http://es.scribd.com/doc/38966946/Manual-WaterCAD
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ANEXOS
PLANO TOPOGRAFICO DE LA RED DE DISTRIBUCION DE AGUA POTABLE ANTIGUA
PLANO TOPOGRAFICO DE LA RED DE DISTRIBUCION DE AGUA POTABLE - NUEVA
PLANO TOPOGRAFICO DE LA RED DE DISTRIBUCION DE AGUA POTABLE DE LA ZONA DE ESTUDIO
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