modulo iv diseño de sistemas de agua potable febrero 2016

8/18/2019 Modulo IV Diseño de Sistemas de Agua Potable Febrero 2016.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

Diplomado en Gestión Integral de Agua ySaneamiento

Modulo IV:

DISEÑO DE SISTEMAS DE AGUA POTABLE

Ing. Ernesto J. Acevedo Lugo

Febrero, 2016


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ContenidoI.- HIDRAULICA BASICA .......................................................................................................................5

1.1 Concepto de gasto o caudal .....................................................................................................5

1.2 Ecuación de la energía de una masa fluida ...............................................................................6

1.3 Potencia hidráulica ...................................................................................................................7

1.4 Flujo en tuberías .....................................................................................................................10

1.4.1 Flujo Laminar ...................................................................................................................12

1.4.2 Flujo Turbulento ..............................................................................................................13

1.5 Flujo en canales abiertos ........................................................................................................19

1.6 Sistema de tuberías ................................................................................................................21

2.- OBRAS DE CAPTACION ................................................................................................................22

2.1 Definiciones generales ...........................................................................................................23

2.2 Captación de aguas atmosféricas ...........................................................................................24

2.3 Captación de aguas superficiales ............................................................................................25

2.4 Captación de aguas subsuperficiales ......................................................................................26

2.5 Captación de aguas subterráneas...........................................................................................27

2.6 Bocatoma ...............................................................................................................................28

2.6.1 Definiciones .....................................................................................................................28

2.6.2 Elementos fundamentales a ser tomados en cuenta previo al diseño de bocatomas .....29

2.6.3 Tipos de Bocatomas ........................................................................................................31

2.6.4 Diseño de altura de barraje .............................................................................................32

3. LINEAS DE CONDUCCION..............................................................................................................36

3.1 Tipos de Conducción. .............................................................................................................36

3.2 Gasto de diseño ......................................................................................................................37

4. TANQUES DE ALMACENAMIENTO ................................................................................................39

4.1 Volumen de almacenamiento: ...............................................................................................39

4.2 Capacidad del tanque a construirse: ......................................................................................39

4.3 Material de construcción del tanque: ....................................................................................39

4.4 Ubicación respecto a la Red de distribución: ..........................................................................39

5. RED DE DISTRIBUCION ..................................................................................................................39

6. ESTACIONES DE BOMBEO .............................................................................................................40

6.1 Estaciones de bombeo ...........................................................................................................40

6.2 Ubicación de la estación de bombeo ......................................................................................41


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6.3 Capacidad de la estación de bombeo .....................................................................................41

6.4 Carga dinámica o altura manométrica total ...........................................................................41

6.5 Potencia del equipo de bombeo.............................................................................................45

7. POTABILIZACION DE AGUA ...........................................................................................................47

7.1 Proyección de población ........................................................................................................47

7.2 Cálculo de dotaciones ............................................................................................................48

7.3 Cálculo de caudales ................................................................................................................51

7. 4 Introducción a los procesos de potabilización y pre tratamiento ..........................................54

7.4.1 Procesos unitarios para potabilización de agua:..............................................................54

7.4.2 Teoría de la desinfección .................................................................................................58

8.- ASPECTOS AMBIENTALES DE LOS PROYECTOS DE PLANTAS POTABILIZADORAS.........................66


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Resumen de contenidos

No. Tema

1 Hidráulica Básica2 Obras de captación

3 Líneas de conducción

4 Tanques de almacenamiento5 Red de distribución

6 Estaciones de bombeo

7 Potabilización de agua

8 Diseño de obras de mitigación

Actividades complementarias

Descripción FechaLaboratorio Prueba de Jarras Sábado 27/Feb/16, 8:00am – 12:00md

Visita planta potabilizadora Juigalpa Sábado 05/Mar/16, todo el día.

Presentación de trabajos finales Viernes 11/Mar/16


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I.- HIDRAULICA BASICA

Hidráulica es una es una de las principales ramas de la Ingeniería Civil que trata losproblemas relacionados con la utilización y el manejo de los fluidos, principalmente el agua.Esta disciplina se avoca, en general, a la solución de problemas tales como, el flujo de

líquidos en tuberías, ríos y canales y a las fuerzas desarrolladas por líquidos confinados endepósitos naturales, tales como lagos, lagunas, estuarios, etc., o artificiales, como tanques,pilas y vasos de almacenamiento, en general.

El desarrollo de la hidráulica se ha basado principalmente en los conocimientos empíricostransmitidos a través de generaciones y en la aplicación sistemática de ciencias,principalmente Matemáticas y Física. Una de estas ciencias, es la Mecánica de los Fluidos,que proporciona las bases teóricas en que descansa la hidráulica.

El objetivo de esta unidad es reafirmar los conceptos básicos en hidráulica ambiental

requeridos para cualquier cálculo que implique determinar flujos o tuberías, además paranivelar los conocimientos de los estudiantes con diferentes perfiles profesionales.

1.1 Concepto de gasto o caudal

Cuando se observa el agua que pasa por un río o se imagina la que pasa por una tubería, elprimer cuestionamiento que suele formularse, es acerca de la cantidad de agua que pasapor ese conducto. Esta idea de cantidad de agua conducida tiene un significado integral yaque implica el conocimiento del movimiento en conjunto de las partículas que constituyenla masa del fluido.

Sin embargo, para poder comparar o hacer estimaciones, es necesario referir esta cantidadde materia en movimiento al tiempo, definiéndose de esta manera, el concepto de gasto ocaudal como la cantidad de materia o masa que atraviesa un lugar en cierta unidad detiempo. En el caso de los líquidos, los cuales se consideran prácticamente incompresibles,la cantidad de materia se puede indicar como el volumen. Entonces, el gasto se define comoel volumen que pasa por un punto en el espacio, en un determinado tiempo, es decir

En un sistema unidimensional se puede tener una expresión para el gasto, considerandopor ejemplo, la sección transversal de un tramo de un conducto de área A por el cual pasaun volumen Vol como se muestra en la figura:


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Como el volumen se define como Vol = AL, entonces al sustituir en la expresión del gasto,se tiene

donde v es la velocidad con que se mueve la masa o el volumen. Entonces Q =VA que es laexpresión que define el gasto o caudal que circula en un conducto en una dirección dada.

1.2 Ecuación de la energía de una masa fluida

La ecuación de la energía de una masa fluida se deriva del principio de conservación de laenergía, y dice que: “la energía total en la sección de una corriente es igual a la energía totalen una sección ubicada agua arriba de ésta, menos la energía consumida (transformada)entre las dos secciones”, la cual fue presentada por Daniel Bernoulli y por lo cual tambiénes conocida como ECUACIÓN DE BERNOULLI


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Las energías de posición z1 y z2 son las alturas de las secciones 1 y 2, respectivamente, sobreel plano horizontal de referencia ( PHR ), los piezómetros colocados en los puntos 1 y 2

muestran la energía de presión en esos puntos y las energías de velocidad se muestran

como

en 1 y 2, respectivamente.

Al sumar en cada sección los tres tipos de energía (posición, presión y velocidad) se tiene laenergía total disponible en cada sección (H). Si se unen las coordenadas correspondientes,se obtiene la línea que muestra el gradiente de energía y cuyas ordenadas se miden a partirdel plano horizontal de referencia (PHR), donde z=0.

Si se unen las superficies libres de los piezómetros, se obtiene la línea piezométrica querepresenta el gradiente hidráulico. Las distancias medidas desde el eje del conducto y estalínea, indican las cargas o energías de presión a lo largo del conducto.

La línea horizontal que pasa a la altura de H1, indica el perfil del plano de carga totaldisponible en la sección 1 y la diferencia entre la energía total disponible en la sección 1 yla sección 2 , representa la pérdida de carga total hp, es decir hp = H1 – H2

Es importante recordar que aunque se utiliza el término “pérdida” , esto no significa que laenergía se pierde entre 1 y 2, ya que de acuerdo al principio de conservación de la energía,esta solamente se transforma.

1.3 Potencia hidráulica

Lo potencia se define como el trabajo realizado en la unidad de tiempo, o la rapidez con quese realiza un trabajo. En el sistema métrico, las unidades de potencia son: kg-m/s

Para calcular la potencia necesaria para trasladar un volumen (Vol ), de un fluido en unconducto, de la posición 1 a la 2, como el que se muestra en la figura, se aplica la definiciónde potencia de la siguiente manera:

SiΔz es la diferencia de elevaciones entre los centros de gravedad del volumen ( Vol ), en

las posiciones 1 y 2, por lo tanto el trabajo realizado ( δ ) al pasar de la posición 1 a la 2,


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será igual al producto del peso del volumen del fluido (γ Vol ) por la diferencia deelevaciones, es decir

δ =γ VolΔzAl dividir esto entre el tiempo se obtiene una expresión para la potencia

=

=

∆

Pero como

= ()

Entonces = ∆

Que es la expresión para calcular la potencia que desarrolla un fluido en movimiento.

Por otro lado, en una sección de una tubería, como la que se muestra en la figura siguiente,por la cual pasa un gasto Q, la energía disponible H genera una potencia que es igual a

La unidad más empleada para medir la potencia es el caballo de fuerza (HP), que es igual a

En el sistema MKS gravitacional

Por lo tanto, para utilizar las unidades del sistema MKS gravitacional, a relación anterior semodifica de tal forma que

En donde la potencia ( P ) está dada en caballos de fuerza ( HP ), el caudal ( Q ) en m3 /s y el

peso específico (γ ), en kg/m3.


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Con frecuencia, también se utilizan los caballos de vapor ( CV ) para definir la potencia. Eneste caso, la expresión anterior se convierte en

Otra unidad común para expresar la potencia es el kilowatt-hora (kW ), cuya conversión es

kW = 1.341 HP

SifonesUn sifón es un dispositivo hidráulico que se utiliza para extraer un líquido de un depósitocuando existe un obstáculo por encima de la superficie libre del agua en el depósito, talcomo se muestra en la siguiente figura.

Para que el sifón funcione, es necesario mantener una presión negativa (menor que laatmosférica) del punto B al punto C, de tal forma que el líquido logre ascender hasta elpunto C de la figura. La presión mínima, ocurre en este punto y su valor depende de la altura

hA; a mayor altura menor presión. Por lo tanto, la altura máxima a la que se elevar el líquido,teóricamente, es la siguiente:

Donde Patm es la presión atmosférica y γ es el peso específico del líquido. En el caso delagua, en condiciones normales de presión y temperatura

Este valor en realidad es menor ya que existen pérdidas de energía a lo largo del sifón. Unavez que se logra establecer el flujo en un sifón, este se mantiene constante, a menos quecambie el valor de la diferencia de elevaciones entre los puntos A y E (zA – zE), de la figura.Para calcular el caudal que se extrae con un sifón, es necesario aplicar la ecuación de laenergía entre los puntos A y E, de la siguiente forma


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Donde hp denota las pérdidas de carga.

Como la presión en los punto A y E corresponde a la atmosférica y como se está tratandocon presiones relativas, entonces

Asimismo, si se considera que la elevación de la superficie libre en el depósito permanececonstante, entonces

Al despejar la velocidad se obtiene la siguiente expresión

Para obtener el caudal, de acuerdo a la expresión del caudal Q = VA, se multiplica por elárea de la sección del conducto ( A), perpendicular al flujo, es decir

Para conductos circulares

Donde D es el diámetro del conducto.

1.4 Flujo en tuberías

Número de Reynolds:

pero comoν =μ/ρ , entonces

PÉRDIDAS DE CARGAUn fluido, al desplazarse en el interior de un conducto, encuentra resistencia debido a lafricción con las paredes y entre la mismas partículas del fluido, así como a los obstáculos(válvulas, cambios de dirección, etc.) colocados a lo largo del conducto, lo que ocasiona,invariablemente, una disminución en la energía disponible. A esta disminución de energíase le conoce como pérdidas de carga. Estas pueden ser distribuidas (por fricción), ó locales(causadas por accesorios).


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Pérdidas de Carga por FricciónLas pérdidas de carga por fricción se deben a viscosidad del fluido y a las colisiones, ya seacon entre partículas o con las paredes interiores del conducto. Cuando el régimen de flujoes laminar, la viscosidad tiene un gran efecto en la definición de pérdidas de carga porfricción, ya que entre las capas o cilindros concéntricos que forman este flujo, se desarrollan

fuerzas que se oponen al movimiento. En flujo turbulento, la viscosidad tiene menor efectoya que las colisiones ocurren con mayor frecuencia, debido a la naturaleza desordenada deeste régimen de flujo.

Las características geométricas más importantes para la evaluación de las pérdidas de cargapor fricción, son las siguientes:Área Hidráulica (AH) = área de la sección transversal del conducto, ocupada por el flujo.Perímetro mojado (Pm) = perímetro de la sección transversal del conducto donde existecontacto con el fluido.Radio Hidráulico (RH) = relación entre área hidráulica y perímetro mojado.Rugosidad Relativa = relación entre la rugosidad absoluta de las paredes y el diámetro delconducto.Para un conducto de sección circular, como es el caso de una tubería, el radio hidráulico( RH ) es el siguiente

Debido a que la distribución de irregularidades en la pared de un conducto es muy compleja,como se puede apreciar en la figura siguiente, es necesario simplificar mediante una medida

promedio de la rugosidad, a la cual se le denomina rugosidad absoluta ( ε ).

A la relación entre la rugosidad absoluta y el diámetro del conducto, se le conoce comorugosidad relativa, es decir

Ecuación General (Darcy-Weisbach)La pérdida de carga debida a la fricción (hf ) depende del diámetro (D), la longitud (L) y la

rugosidad absoluta (ε) del conducto; así como de la velocidad media del flujo (V); la

densidad (ρ) y la viscosidad dinámica (μ) del fluido y la aceleración de la gravedad (g). Porlo tanto, mediante un análisis dimensional se encuentra que


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Como los argumentos de la función “F” son adimensionales, el valor de esta función debeser también adimensional. Si este valor se denota como

entonces

Esta ecuación fue propuesta por los ingenieros Henry Darcy (francés) y Julios Weisbach(alemán) en el siglo XIX y por esta razón se le conoce como la ecuación de Darcy-Wisbach.

1.4.1 Flujo Laminar

Para establecer las expresiones que describen las pérdidas de carga por fricción en este tipode flujo, es necesario tener en cuenta lo siguiente:Las fuerzas viscosas predominan sobre las fuerzas de inercia. Se cumple la ecuación deNewton para fluidos viscosos:

G. Hagen (ingeniero alemán, 1794-1869) y J. Poiseville (médico francés, 1799-1869)encontraron, en forma simultánea y por separado, que la pérdida de carga en flujo laminares proporcional a la relación entre el caudal (Q) que pasaba por el conducto y el diámetro(D) a la cuarta potencia, es decir

A través del análisis de los esfuerzos cortantes que se desarrollan entre las capas del flujo,se determina una constante de proporcionalidad que sirve para establecer la siguienteigualdad

dondeh f = Pérdida de carga por fricción

μ = viscosidad dinámica del fluidoL = longitud del conducto

ρ = densidad del fluidoLa relación entre la pérdida de carga y la longitud, se define como la pendiente de fricción(Sf ),

entonces

Combinando la ecuación de Hagen –Poiseville y la de Darcy-Weisbach, se obtiene el factorde fricción para flujo laminar de la siguiente forma


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Al expresar el caudal Q en función de la velocidad, se tiene

1.4.2 Flujo Turbulento

A) Conductos Hidráulicamente LisosCuando las irregularidades de la pared interior del conducto quedan cubiertas en sumayoría por la capa de líquido que se adhiere a este, se dice que el tubo es hidráulicamenteliso. Diversos investigadores estudiaron este caso y propusieron varias expresiones paracalcular el factor de fricción.

Fórmula de BlasiusPaul Richard Heinrich Blasius encontró empíricamente, que para este tipo de situaciones y

valores del número de Reynolds entre 5000 y 100,000 el factor de fricción se puede calcularcomo

Esta fórmula, a pesar su rango limitado de aplicación, es útil para mejor entender la caídade presión en tuberías. Si se sustituye esta expresión en la fórmula de Darcy-Weisbach y seacomodan las variables, se obtiene

Fórmula de Prandtl y Von Karman

Basado en una expresión propuesta por Theodore Von Karman y después de confirmar losresultados con experimentos en laboratorio, Ludwig Prandtl propuso la siguiente expresiónpara calcular el factor de fricción en tuberías hidráulicamente lisas.

B) Conductos Hidráulicamente RugososPara flujos hidráulicamente rugosos, cuando la rugosidad absoluta es mayor que el espesorde la capa de líquido adherida a la pared interior del conducto, se tienen varias expresionesentre las que se encuentran las siguientes:

Fórmula de Prandtl y Von KarmanA través de mediciones en laboratorio, Prandtl y Von Karman modificaron su expresión paratubos lisos y propusieron la siguiente fórmula para tubos rugosos


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Esta expresión solo aplica para situaciones en las que el flujo se establece completamentecomo turbulento.

Fórmula de Colebrook-WhiteEn la mayoría de los casos el flujo de agua en tuberías se encuentra en estado de transición

a un flujo completamente turbulento, por tal motivo, las fórmulas de Prandtl y Von Karmanno son aplicables. Colebrook-White, del Instituto de Hidráulica de los Estados Unidos,propusieron la siguiente fórmula

Esta ecuación que combina los resultados de Von Karman, probó ser aplicable para todotipo de flujo turbulento en tuberías, sin embargo, tiene el inconveniente que el factor defricción no está expresado explícitamente, por lo que es necesario recurrir al algún métodonumérico para calcular f.

Se han realizado diferentes estudios para tener fórmulas explicitas que permitan calcular elfactor de fricción f, de ellos en 1990 Guerreo A., J. O. presenta la modificación a la ecuaciónde Colebrook-White

Donde:

G = 4.555 y T = 0.8764 para 4,000


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Ecuación de Hazen-WilliamsEs una de las ecuaciones empíricas más populares y fue desarrollada por los ingenierosnorteamericanos G.S. Williams y A. H. Hazen en 1933. La forma original de esta ecuación,para el sistema internacional de unidades, es la siguiente

dondeV = velocidad media en la tubería, en (m/s)RH = radio hidráulico, en m.Sf = pérdida de energía (carga) por unidad de longitud.CHW = coeficiente de rugosidad.

La pérdida de carga por unidad de longitud, se conoce como el gradiente de energía y esobviamente adimensional. Se define como

Donde “hf “ es la pérdida de carga que ocurre en una longitud ”L” del conducto.

El coeficiente de rugosidad (CHW) se conoce como el coeficiente de Hazen-Williams. En lasiguiente tabla, se muestran los valores de este coeficiente para materiales de uso comúnen tuberías y canales abiertos.


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Tabla Valor del Coeficiente de Hazen-Williams, CHW

El coeficiente de Hazen-Williams, como puede apreciarse, solamente es función del tipo dematerial y del diámetro. Por esta razón, el uso de esta expresión está limitado a ciertascaracterísticas del fluido y del flujo. Las limitaciones establecidas por estos investigadoresson las siguientes:1. El fluido debe ser agua a temperaturas normales.2. El diámetro debe ser superior a 2 pulgadas.3. La velocidad media del flujo en la tubería debe ser menor o igual a 3 m/s.


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Para calcular las pérdidas de carga por fricción, en función del gasto, la ecuación de Hazen-Williams se transforma en.

donde

Para expresar la fórmula de Hazen-Williams en la forma general de Darcy-Weisbach, setransforma la ecuación en

por lo que se desprende que

1.5 Flujo en canales abiertos

Fórmula de ChezyEsta fórmula se aplica para tubos rugosos en la zona turbulenta, así como canales abiertosy se expresa como

V = (CR)0.5


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Fórmula de ManningEsta fórmula es más apropiada para resolver problemas de flujo en canales y caucesnaturales. Sin embargo, se utiliza frecuentemente en tuberías a presión, debido a lafacilidad de su solución. La forma original Robert Manning es

donde n se conoce como el coeficiente de Manning y depende solamente del material deconstrucción de la tubería. En la siguiente tabla, se muestran algunos valores paramateriales


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1.6 Sistema de tuberías

Tubería en Serie:

Se debe cumplir

Hf = hf = Z A . ZBhf = hf1 + hf2 + hf3Q = Q1 = Q2 = Q3

Tubería en paralelo:

Se debe cumplir:Q = Q1 + Q2 + Q3hf1 = hf2 = hf3 = hf4


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2.- OBRAS DE CAPTACION

Los sistemas para abastecimiento de agua potable constan de diversos componentes:captación, conducción, potabilización, desinfección, regulación y distribución; en cada unose construyen las obras necesarias para que sus objetivos particulares sean alcanzados de

forma satisfactoria. La captación se refiere a la explotación del agua en las posibles fuentes;la de conducción al transporte del recurso hasta el punto de entrega para su disposiciónposterior, la regulación tiene por objeto transformar el régimen de alimentación del aguaproveniente de la fuente que generalmente es constante, en régimen de demanda variableque requiere la población, y el objetivo de la distribución, es proporcionar en el domiciliode los usuarios, con las presiones adecuadas para los usos residenciales, comerciales eindustriales normales, al igual el de suministrar el abastecimiento necesario para laprotección contra incendios en la zona de demanda, urbana o rural.

Las obras de captación son las obras civiles y equipos electromecánicos que se utilizan para

reunir y disponer adecuadamente del agua superficial o subterránea. Dichas obras varíande acuerdo con la naturaleza de la fuente de abastecimiento su localización y magnitud.El diseño de la obra de captación debe ser tal que prevea las posibilidades de contaminacióndel agua, comprende las estructuras que se requieren para controlar, regular y derivar elgasto hacia la conducción; su importancia radica en que es el punto de inicio delabastecimiento, por lo que debe ser diseñada cuidadosamente. Un mal dimensionamientode la captación puede implicar déficit en el suministro ya que puede constituirse en unalimitante en el abastecimiento (subdimensionada), o en caso contrario encarecer los costosdel sistema al operar en forma deficiente (sobredimensionada).

En el abastecimiento de agua potable, la subvaluación en la capacidad de la toma generaun servicio de agua deficiente al usuario, ya que durante las horas del día en las cuales setiene la máxima demanda, la imposibilidad de la toma de entregar el caudal requeridopuede generar zonas sin suministro en la red de distribución. En este mismo caso, lasobrevaluación, impone mayores erogaciones para la inversión deseada, afectando elsistema financiero de las empresas prestadoras del servicio de agua potable, además laoperación hidráulica es deficiente, pudiendo afectar la calidad del servicio (bajas presiones)generando también molestias al usuario.

Para el caso del aprovechamiento de fuentes superficiales, el abastecimiento de agua suelerequerir de la fase adicional de tratamiento, que consiste en detectar mediante análisis

físico-químico de una muestra del agua de la corriente, la necesidad de mejorar su calidadpara consumo humano. En cuanto a las fuentes subterráneas, por lo general el mediofiltrante natural permite una buena calidad del recurso, siendo necesario en la generalidadde los casos, tan sólo una desinfección previa para su aprovechamiento.

Es necesario separar en el término general de “obra de captación” el dispositivo de

captación propiamente dicho y las estructuras complementarias que hacen posible su buen


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funcionamiento. Un dique toma, por ejemplo, es una estructura complementaria, ya que sufunción es represar las aguas de un río a fin de asegurar una carga hidráulica suficiente parala entrada de una estabilidad y durabilidad. Un dispositivo de captación puede consistir deun simple tubo, la pichancha de una bomba, un tanque, un canal, una galería filtrante, etc.,y representa parte vital de la obra de toma que asegura, bajo cualquier condición de

régimen, la captación de las aguas en la calidad prevista. El mérito principal de losdispositivos de captación radica en su buen funcionamiento hidráulico.

2.1 Definiciones generales

Básicas

Obra de toma: Conjunto de estructuras en la zona de captación, que permiten explotar deforma adecuada y eficiente el agua disponible en las fuentes, para beneficio del hombre.Fuente o cuerpo de agua: Depósitos de agua, que puede ser del tipo superficial,subsuperficial o subterráneo.Cuerpo de agua superficial: Se refiere a las fuentes de agua que no percolan hacia el

subsuelo, sino que, escurren sobre la superficie como son ríos y arroyos. También se refierea depósitos de agua como lagos, lagunas y embalses artificiales creados por el hombre conel fin de aprovechar adecuadamente dichas corrientes superficiales.Cuerpo de agua subsuperficial: Se refiere al agua que percola a escasa profundidad, comoel subálveo de los ríos que por ser la interfase río-acuifero, el nivel del agua friática seencuentra a escasa profundidad.Cuerpo de agua subterránea: Son las unidades hidrogeológicas de cuerpos o depósitos deagua subterránea formados por la percolación profunda de las aguas.

Elementos adicionales en obras de toma

Canal: Obra de conducción que tiene el objeto de entregar el agua de ríos y embalses parasu disposición adecuada en el punto de la obra de toma.

Rejilla: Elemento utilizado para impedir el paso del material sólido (flotante y de arrastre),que llevan las corrientes superficiales a las obras de toma.

Dique: Estructura utilizada para desviar agua de un río eliminando el acarreo del materialde fondo en el cauce.

Conducción: Es el conjunto integrado por tuberías, estaciones de bombeo y dispositivos de

control que permiten el transporte del agua desde la fuente de abastecimiento hasta el sitiode entrega, donde será distribuida en condiciones adecuadas de calidad, cantidad y presión.

Hidrológicas

Altura de precipitación: Lámina de lluvia que corresponde a una precipitación pluvial,registrada en medidores puntuales (pluviómetro).Intensidad de la precipitación: Lámina de lluvia asociada a un lapso de tiempo. Indica laaltura precipitada en la unidad de tiempo seleccionada.


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Coeficiente de escurrimiento: Es la relación entre el volumen de agua llovido y el volumende agua escurrido, en un período determinado de tiempo.

Gasto de escurrimiento: Volumen de agua que atraviesa la sección de un río o corriente porunidad de tiempo, también llamado caudal.

El dimensionamiento de las obras de toma incluye como base, el conocimiento de lademanda de agua en sus diferentes usos (doméstico, comercial e industrial), así como losniveles de operación, mínimos y máximos, del cuerpo de agua de la fuente (río, arroyo,corriente subsuperficial, manantial, acuífero, etc.). Los factores hidrológicos másimportantes pueden incluir el conocimiento de la intensidad o altura de lluvia para diseño,coeficientes de escurrimiento en función del tipo de suelo o cubierta superficial existente.

El caudal de diseño de las obras de toma, se calcula sobre la base de la poblaciónbeneficiada, extrapolada al horizonte seleccionado para el proyecto, considerando unadotación por habitante. El caudal de extracción total de la toma o conjunto de tomas en lasfuentes, debe coincidir como mínimo con el gasto máximo diario de la localidad porbeneficiar.

Ya que en la mayoría de los casos se requiere elevar el agua por encima de los puntos decaptación donde se encuentra la obra de toma, los elementos utilizados en estos casos son,los sistemas de bombeo y sus accesorios (rejillas, compuertas, tuberías, canales, válvulas,depósitos y motores, entre otros).

Las obras de toma se clasifican en función del origen del agua captada, (atmosférica,superficial, subsuperficial y subterránea)

2.2 Captación de aguas atmosféricas

Estas corresponden al agua proveniente de la atmósfera; particularmente precipitaciónpluvial.

Estas aguas son importantes en diversos procesos naturales de alimentación a las fuentesde agua, ya que al precipitarse al suelo, alimentan corrientes superficiales o se infiltra demanera subsuperficial y/o profunda, recargando los cuerpos de agua subterránea. Al

alimentar corrientes superficiales alimenta los almacenamientos ubicados en sus lechos.

Las nubes que producen agua son predominantemente las del tipo cúmulo nimbus (otrostipos de nubes que también producen agua son las denominadas: cirrostratos, altocumulusy stratus), cuya base puede estar a un promedio de 1000 m de altura aproximadamente ysu cúspide llega a alcanzar hasta 8 000 m de altura. El proceso de ocurrencia de la lluvia escomplejo, el fenómeno de la condensación (formación de nubes) ocurre en una masaatmosférica ascendente, cuando esta alcanza la temperatura del punto de rocío, es decir,


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cuando llega al 100% de humedad relativa. Si la temperatura atmosférica está en esosmomentos arriba de cero (0o C) se verifica el fenómeno de la condensación, en casocontrario (debajo de 0o C) se produce una sublimación, es decir, formación de líquido osólido, según el caso. Si la condensación o la sublimación se dan en gran escala, se puedetener una copiosa precipitación líquida o sólida.

La precipitación pluvial cobra gran importancia en las zonas áridas o secas, en las cuales esimportante recolectar las aguas que caen en los techos de las casas para elaprovechamiento particular de los habitantes de la vivienda. En este caso, dado lo escasodel recurso, es posible construir estructuras llamadas “techo-cuenca”, mismas quepermiten mejorar la captación de la precipitación atmosférica.

Estas captaciones son importantes en aquellos lugares en los que no se dispone de unsistema para abastecimiento de agua, pero que sí ocurren precipitaciones de consideracióndurante la temporada de lluvias. También es deben tomar en cuenta en aquellas regionescon escasa precipitación en climas del tipo árido o semiárido, donde se hace indispensableel máximo aprovechamiento; siendo esta agua de buena calidad, puede ser utilizada enlabores domésticas y agropecuarias. No es una fuente permanente, por lo que debealmacenarse en época de lluvias para disponer de ella durante la sequía.

Durante la recolección o el almacenamiento puede sufrir contaminación, por tal razóndeben tomarse medidas para que esto no suceda. El almacenamiento se hace en cisternas,cuyas dimensiones varían según sea unifamiliar o para un conjunto de casas, ubicadosaledaños al domicilio, ya que a éstos descargarán los bajantes que vienen del techo.

2.3 Captación de aguas superficiales

Las aguas superficiales son aquellas que escurren en los cauces y presentan una superficielibre sujeta a la presión atmosférica, estas pueden ser corrientes perennes, es decir, caucesque llevan flujo todo el año, producto del drenaje natural de los acuíferos que la alimentandurante la temporada de sequías y que además, en temporada de lluvias, recibe losescurrimientos generados en la cuenca de captación aguas arriba y corrientes intermitenteslas cuales presentan un flujo igualmente sujeto a la presión atmosférica y cuya duración selimita a la presencia de precipitaciones en la cuenca drenada.

Los arroyos son el producto de la precipitación pluvial de corta duración y fuerte intensidad,

lo cual, en combinación con la morfología del terreno puede favorecer la formación decorrientes con altas velocidades de escurrimiento.

También son cuerpos de aguas superficiales las siguientes fuentes naturales: lagos, lagunas,y las fuentes creadas artificialmente por el hombre (presas y embalses en general). Estasaguas representan una buena opción para abastecimiento a las poblaciones rurales ourbanas, previo tratamiento, establecido en función de los componentes indeseables y losparámetros de calidad exigidos por las normas actuales.


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Las aguas superficiales representan una gran alternativa de suministro, requiriendo obrasde captación que en la generalidad de los casos utilizan equipos de bombeo para suaprovechamiento directo desde la corriente. Estas aguas pueden ser mejor aprovechadas sise construyen embalses o se deriva el caudal necesario sobreelevando el nivel del río, paralo cual se construyen presas derivadoras, utilizadas por lo general para suministro a zonas

agrícolas.Para evitar que grandes sólidos que arrastran las corrientes ingresen y tapen las tomas, seutilizan rejillas instaladas en la boca de las mismas.

2.4 Captación de aguas subsuperficiales

Se refiere el término “subsuperficial” al agua que infiltra a escasa profundidad, como por

ejemplo, en el subálveo de los ríos, que es aquella franja longitudinal entre ambas márgenesde una corriente, en la cual, por ser la interface río -acuífero, el nivel del agua freática seencuentra a escasa profundidad. Por efecto de la infiltración del agua de la corriente en el

subsuelo, ésta es de buena calidad. Siendo posible, mediante una obra de toma sencilla,extraerla con las ventajas que ofrecen su filtración natural y economía de la captación.

Conviene recordar que una corriente puede alimentar un acuífero o, en caso contrario,dependiendo de las pendientes hidráulicas del nivel freático, éste puede alimentar a lacorriente (corrientes perennes); en cualquiera de los casos, el nivel freático se encuentra aescasa profundidad de la superficie del terreno.

Para la captación más eficiente del agua subsuperficial, se utilizan pozos someros tipoRanney, que constan de un depósito central en donde se capta el agua que recolectantuberías radiales perforadas e inmersas en la zona saturada del acuífero.

Se utilizan además galerías filtrantes, opción adecuada cuando se desea interceptarperpendicularmente el flujo subsuperficial. En este caso, para pequeñas galerías se instalantuberías ranuradas en el fondo de la excavación rellena de grava graduada.


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2.5 Captación de aguas subterráneas

Los cuerpos de agua subterránea o acuíferos se clasifican en función de sus condiciones deoperación relativas a la presión a la cual está sometido el cuerpo de agua.

Un acuífero es una estructura hidráulica natural que almacena y permite el flujo de aguasubterránea a través de ella. Existen en general dos tipos de acuíferos: libre y confinado. Elacuífero libre se caracteriza por tener el almacenamiento bajo presión atmosférica, no asíel confinado, en el cual el almacenamiento está a presión hidráulica; en este caso, la presióndepende de diversos factores, entre otros, elevación de la zona de recarga, espesor delconfinante, etc.

Un cuerpo de agua subterránea presenta diversas ventajas con relación a los cuerpossuperficiales ya que por el lado de la calidad del agua, la filtración natural del agua hacemenos costoso el tratamiento que deba darse a esta para tornarla potable; por otro lado,

un acuífero puede tener una gran extensión por lo cual podrá planearse la captación lo máscercana posible a la zona de demanda, ahorrando por tanto en costos de infraestructurapara la fase de conducción del sistema de suministro.

La instalación típica de un pozo de bombeo queda definida por las siguientes estructuras:Columna de succión del pozo, tubería de succión, etc.

Columna de descarga (tubería de descarga, válvula check de retención, válvula decompuerta, válvula de admisión y expulsión de aire, válvula de alivio contra golpe de ariete,etc.)

Caseta de control eléctrico del equipo de bombeo (tablero de control para arranque y parodel equipo).Acometida eléctrica (poste, transformador, cableado)Depósito de descargaMedidor totalizador de volúmenes extraídos.


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2.6 Bocatoma

2.6.1 Definiciones

Las obras de toma o bocatomas son las estructuras hidráulicas construidas sobre un río o

canal con el objeto de captar, es decir extraer, una parte o la totalidad del caudal de lacorriente principal. Las bocatomas suelen caracterizarse principalmente por el Caudal deCaptación, el que se define como el gasto máximo que una obra de toma puede admitir.

El tema de las bocatomas es siempre actual. El diseño de estas estructuras es casi siempredifícil y debe recurrirse tanto a métodos analíticos como a la investigación en modeloshidráulicos. La observación y análisis del comportamiento de las obras de toma enfuncionamiento es muy importante. Los problemas que se presentan en una bocatoma sonmucho más difíciles cuando se capta agua desde un río que cuando se hace desde un cauceartificial (canal).

Es al primer caso al que nos referiremos principalmente de acá en adelante. Se define así ala estructura que tiene finalidad de derivar parte o el total del caudal que discurre en un rió,para irrigar una área bajo riego o generar energía mediante su utilización en una centralhidroeléctrica.

El diseño de una obra de toma puede ser un problema muy difícil, en el que debe preversela interacción estructura-naturaleza. La obra de toma, cualquiera que sea su tipo, es unelemento extraño en contacto con el agua. Es decir, que la estructura va a producirinevitablemente alteraciones en el medio natural circundante y, a la vez, la naturaleza va areaccionar contra la obra. Esta interacción que se presenta al construir la obra, y en el futuroal operarla, debe ser prevista y contrarrestada oportuna y debidamente.

El abastecimiento de agua a la población es la primera necesidad de agua que debe sercubierta. El aprovechamiento de las aguas superficiales, en especial las de un río, constituyeuna de las formas más antiguas de uso del agua. En los tiempos antiguos las ciudades seubicaban en las orillas de los ríos para poder aprovechar sus aguas fácilmente.

El crecimiento de la población, la expansión urbana, el aumento de las demandas y otrosfactores determinaron la necesidad de construir proyectos de abastecimiento de agua parala población. Estos proyectos empiezan por una bocatoma para captar el agua de un río, o

de otra fuente de agua, y conducirla luego al área urbana.


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2.6.2 Elementos fundamentales a ser tomados en cuenta previo al diseño de bocatomas

Antes de iniciar el diseño de una bocatoma, se debe examinar los siguientes aspectos:

1 Ubicación

Es de suma importancia la ubicación de la bocatoma en el cauce del río, para la que serecomienda que el sitio elegido reúna por lo menos las siguientes condiciones:a. La dirección a ruta del flujo de agua debe ser lo más estabilizada o definida.b. La captación del agua a ser derivada debe ser posible aún en tiempo de caudal mínimo.c. La entrada de sedimentos hacia el caudal de derivación debe ser limitado en el máximoposible.Un punto recomendable para cumplir las condiciones anteriores, se encuentra ubicadoinmediatamente aguas abajo del centro de la parte cóncava en los tramos curvos del río

Lógicamente, este punto estará condicionado a cumplir las condiciones topográficas (cotade captación), condiciones geológicas y geotécnicas, condiciones sobre facilidadesconstructivas (disponibilidad de materiales), evitar posibles inundaciones a daños a

construcciones vecinas, etc.

2 TopografíaDefinida la posible ubicación, se realizarán los siguientes trabajos topográficos:a. Levantamiento en planta del cauce del río, entre 500m. a 1000m; tanto aguas arriba comoaguas abajo del eje del barraje, la escala recomendada es 1:2000.


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b. Levantamiento localizado de la zona de ubicación de la bocatoma, se recomienda un áreade 100m. x 100m. como mínimo, la escala no debe ser menor de 1:500.c. Perfil longitudinal del río, por lo menos 1000m, tanto aguas arriba como aguas abajo deleje del barraje; la escala recomendada es H = 1:2000 y V = 1:200.d. Secciones transversales del cauce del río a cada 50m. en un tramo comprendido 1000m.

aguas arriba y 500m. aguas abajo del eje del barraje; la escala variara entre 1:100 y 1:200.

3 Condiciones Geológicas y GeotécnicasEs importante conocer las condiciones geomorfológicas, geológicas y geotécnicas, ya quesu conocimiento permitirá dimensionar en mayor seguridad la estructura; por lo que serecomienda la obtención de los siguientes datos como resultado de los estudios geológicos – geotécnicos:

a. Curva de graduación del material conformarte del lecho del ríob. Sección transversal que muestre la geología de la zona de ubicación de la bocatoma.c. Coeficiente de permeabilidad.d. Capacidad portantee. Resultados sobre ensayos de hincado de pilotes ó tabla, estacasf. Cantidad de sedimento que transporta el río.

4 Información HidrológicaEs de suma importancia conocer el comportamiento hidrológico del río, ya que estopermitirá garantizar el caudal a derivar y así como definir el dimensionamiento de loselementos conformantes de la bocatoma. Entre los datos a obtener son:a. Caudal del diseño para máxima demanda.b. Caudales medios y mínimos.

c. Curva de caudal versus tirante en la zona del barraje.

5. Condiciones EcológicasSiempre toda construcción en un río causa alteración del equilibrio ecológico de la zona,sobre todo en lo relacionado con la fauna. Es por esta razón que, se debe tratar de no alterardicho equilibrio mediante la construcción de estructuras que compensen este desequilibriocausado por la bocatoma.

6 OtrosEn este grupo se puede incluir las limitaciones u obligaciones que se deben tener en cuenta

para la construcción de la bocatoma; estas son de orden legal, ya que, mediante labocatoma por efecto del remanso que se forma, podrían inundarse terrenos aledaños oconstrucciones anteriores (puentes, caminos, etc.).

Asimismo en algunos casos será necesario pedir autorización del Instituto Nacional deCultura por la existencia de restos arqueológicos. Por este motivo, todo diseño se deberáser previamente coordinado con todos los demás entes estatales y particulares que esténrelacionados de alguna manera con el río donde se va a construir la bocatoma, con el fin de


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evitar duplicidad o generación de problemas en proyectos similares por la construcción deuna estructura en el mismo cauce.

2.6.3 Tipos de Bocatomas

En lo referente a los tipos de bocatomas, podemos clasificar en 4, a saber:

a. Toma directaSe trata de una toma que capta directamente mediante un canal lateral, que por lo generales un brazo fijo del río que permite discurrir un caudal mayor que el que se va a captar. Sumayor ventaja es que no se necesita construir un barraje o azud que por lo generalconstituye una de las partes de mayor costo.Sin embargo; tiene desventaja de ser obstruida fácilmente en época de crecidas, ademáspermite el ingreso de sedimentos hacia el canal de derivación.

b. Toma Mixta o ConvencionalSe trata de una toma que realiza la captación mediante el cierre del río con una estructurallamada azud o presa de derivación, el cual puede ser fija o móvil dependiendo del tipo delmaterial usado. Será fija cuando se utiliza un elemento rígido, por lo general concreto, yserá móvil cuando se utilizan compuertas de acero o madera.La captación en ese tipo de bocatomas se realiza por medio de una ventana que puedefuncionar como orificio o vertedero dependiendo del tirante en el río.

c. Toma MóvilSe llama así aquella toma que para crear la carga hidráulica se vale de un barraje móvil.Son tomas que por la variación de niveles en forma muy marcada entre la época de estiaje

y avenida, necesitan disponer de un barraje relativamente bajo, pero que para poder captarel caudal deseado necesitan de compuertas que le den la cota a nivel de agua adecuado.A los barrajes con compuertas que permiten el paso del caudal de avenida a través de ellosse les conoce como barraje móvil. Su principal ventaja es que permite el paso de losmateriales de arrastre por encima de la cresta del barraje vertedero.

d. Toma Tirolesa o CaucasianaSon tomas cuyas estructuras de captación se encuentran dentro de la sección del azud, enun espacio dejado en él, protegido por una rejilla que impide el ingreso de materialesgruesos. Estas tomas no son recomendables en ríos donde el arrastre de sedimentos es

intenso, ya que podrían causar rápida obstrucción de las rejillas.

Conviene comentar que los ríos arrastran gran cantidad de sedimentos en épocas decrecidas, por lo que la construcción de estas tomas deben ser donde las condiciones lofavorezcan.

Para concluir el tipo de bocatoma más recomendable para realizar la captación de un caudaldeterminado previamente, depende de la altura del vertedero, de las condiciones de la


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cimentación, del flujo en el río, remanso aguas arriba, de la disponibilidad de los materialesde construcción y del monto del dinero asignado pare Ia ejecución de la obra.

Relación entre la Localización de la Estructura de Toma y Ia Presa de DerivaciónBásicamente la ubicación de la estructura de toma, está orientado en función del sedimento

de arrastre que trae el río, ya que éste puede ingresar al canal o depositarse delante de latoma. Por esta razón es que la captación debe ubicarse en un lugar donde los sedimentospuedan ser arrastrados por el flujo del río y si hay posibilidad de ingreso de sedimentoshacia el canal ésta debe ser lo mínimo posible.

De este modo, en un tramo recto del río, la toma debe estar inmediatamente aguas arribadel eje de la presa de derivación, formando un ángulo entre 60o y 90o. Asimismo serecomienda, de ser posible, que el eje de la toma forme un ángulo de 20o a 30o conrespecto al río.

Si se tiene que colocar la toma en tramos curvos, como ya se ha explicado anteriormente,debe estar en la zona cóncava, ya que es la parte donde los sedimentos son en menorcantidad.

Condición del Lecho de la Presa de DerivaciónEs muy importante investigar el sub-suelo donde se apoyará la presa, ya que elconocimiento de éste permitirá fijar el tipo de estructura y sus condiciones apropiadas enel diseño.

La investigación del sub-suelo debe estar orientada a satisfacer las necesidades dedeterminación de la capacidad admisible de carga.

Complementariamente, es importante mencionar otros aspectos geológicos- geotécnicos atener en cuenta al proyectar obras hidráulicas: su ubicación en zonas con riesgos de fallapor fenómenos de geodinámica externa y los criterios de exploración y explotación decanteras que proveerán los materiales (agregados, rellenos, afirmados, etc.), necesariospara la ejecución de las obras.

2.6.4 Diseño de altura de barraje

Altura del Barraje Vertedero

La altura del barraje vertedero está orientada a elevar o mantener un nivel de agua en elrío, de modo tal que, se pueda derivar un caudal hacia el canal principal o canal dederivación. También debe permitir el paso de agua excedente por encima de su cresta. Eslógico que el nivel de la cresta dé Ia carga suficiente para derivar el caudal diseñado parairrigar las tierras servidas por la bocatoma.


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De acuerdo a la siguiente figura, se puede definir que la cota Cc de la cresta del barraje

vertedero será:

Cc = Co + ho + h + 0.20 (en metros) Donde

Co : cota del lecho detrás del barraje vertedero (del plano topográfico)ho : altura necesaria para evitar el ingreso de material de arrastre (se recomienda ho = 0.60m).h : altura que necesita la ventana de captación para poder captar el caudal de derivación Q d (asumir que funciona como vertedero.) 0.20m. Sumando de seguridad con el fin de corregirefectos de oleaje y de coeficientes de la fórmula, pudiendo ser mayor de ser posible.

VENTANA DE CAPTACIÓN

La captación de agua se realiza mediante una abertura llamada ventana de captacióndebido a que se encuentra a una altura de 0.60 m. del piso del canal de limpia como mínimo.Sus dimensiones son calculadas en función del caudal a derivar y de las condicioneseconómicas más aconsejables.

Para dimensionar la ventana de captación se debe tomar en cuenta las siguientesrecomendaciones:

Ho: altura para evitar ingreso de material de arrastre; se recomienda 0.60 m. como mínimo.Otros recomiendan ho > H/3, aunque es obvio que cuanto mayor sea h o menor será elingreso de caudal sólido.h : altura de la ventana de captación; es preferible su determinación por la fórmula devertedero:

Q = c. L. H 3/2

Donde:Q : caudal a derivar más caudal necesario para operación del sistema de purga.C : coeficiente de vertedero, en este caso 1.84L : longitud de ventana que por lo general se asume entre 3 a 4 m.

En conclusión; los parámetros de la ventana de captación están íntimamente relacionados,pero siempre es necesario tener en cuenta el factor económico en el diseño.


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ESTRUCTURAS DE DISIPACIÓN

Como producto de la carga de posición ganada por colocación de la cresta del vertedero dederivación a una altura sobre el lecho del río, se genera una diferencia entre el canal antiguoy la zona del bocal, que es necesario controlar mediante la construcción de una estructurade disipación.

Esta estructura por lo general tiene un colchón o poza disipadora, que permite disipardentro de la longitud de la poza de energía cinética adquirida del flujo y así salir hacia elcanal de derivación un flujo más tranquilo.

MUROS DE ENCAUZAMIENTO

Son estructuras que permiten encauzar el flujo del río entre determinados límites con el finde formar las condiciones de diseño pre-establecidas (ancho, tirante, remanso, etc.).

Estas estructuras pueden ser de concreto simple a de concreto armado. Sudimensionamiento está basado en controlar el posible desborde del máxima nivel del aguay evitar también que la socavación afecte las estructuras de captación y derivación.

En lo referente a la altura de coronación que estas estructuras deben tener, se recomiendaque su cota superior esté por lo menos 0.50 m por encima del nivel máximo de agua.


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Con respecto a su cota de cimentación, se recomienda que ésta debe estar por debajo oigual a la posible profundidad de socavación (ver diques de encauzamiento).

Con la altura definida se puede dimensionar los espesores necesarios para soportar losesfuerzos que transmiten el relleno y altura de agua; es práctica común diseñar al volteo,

deslizamiento y asentamiento.


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3. LINEAS DE CONDUCCION

Dentro de un sistema de abastecimiento de agua, se le llama línea de conducción, alconjunto integrado por tuberías, y dispositivos de control, que permiten el transporte delagua -en condiciones adecuadas de calidad, cantidad y presión- desde la fuente de

abastecimiento, hasta el sitio donde será distribuida.

La pérdida de presión es la principal consideración en el diseño de cualquier tubería.Aunque existen innumerables fuentes de pérdida de presión a lo largo de las tuberías, éstasse pueden dividir para su estudio en pérdidas mayores o de fricción y en pérdidas menoreso localizadas.

Las líneas de conducción de agua, se calculan siguiendo varios procedimientos existentes.Su diseño en general consiste en definir el diámetro en función de las pérdidas de carga, apartir del gasto que se conducirá y el material de la tubería. Las pérdidas de carga, se

obtienen aplicando las ecuaciones de Darcy-Weisbach, Scobey, Manning o Hazen-Williams.Se pueden presentar dos condiciones de operación de la tubería, por bombeo o gravedad.

3.1 Tipos de Conducción.

En el caso de tuberías sujetas a la presión de la gravedad se pueden presentar dossituaciones:

a) Donde la diferencia de alturas apenas es suficiente, para proporcionar una presiónadecuada para el funcionamiento, el problema consiste en conservar la energía usandotubos de diámetros grandes para tener mínimas pérdidas de carga por fricción y evitarbombeo de auxilio.

b) Cuando la diferencia de altura entre la fuente de abastecimiento y la ubicación del sitioa abastecer, es tal que la presión proporcionada es mayor a la requerida, el problema radica


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en reducir las ganancias de presión, lo cual se logra seleccionando tuberías de diámetrosmás pequeños.

Los datos generales a recabar para el diseño de una línea de conducción, son, entre otros,la localización de las fuentes de abastecimiento y las descargas, el clima, los medios de

comunicación al lugar y usos del agua.

Para el diseño de una línea de conducción se requiere de un plano topográfico, mostrandoplantas y elevaciones. Para lo que es necesario definir, mediante una selección dealternativas, la ruta sobre la que se efectuará el trazo de la línea; lo anterior para definircotas, distancias y posibles afectaciones, sobre el derecho de vía propuesto.

3.2 Gasto de diseño

El gasto con el que se diseña la línea de conducción, se obtiene en función del gasto dediseño requerido, así como del gasto disponible que pueden proporcionar las fuentes de

abastecimiento. Es importante conocer los gastos que pueden proporcionar las fuentes deabastecimiento, sus niveles del agua y el tipo de fuente (galería filtrante, manantial, presa,etc).

Para evitar los trabajos de un constante cierre y apertura de válvulas, en una conducciónpor gravedad, su funcionamiento deberá cubrir las 24 horas del día. Es por ello que al existiruna sola descarga, el gasto de ésta es igual al gasto máximo diario.

Si el gasto disponible de la fuente es menor al gasto máximo diario que requiere lapoblación, es necesario buscar otra fuente de abastecimiento complementaria paraproporcionar la diferencia faltante.

Tomando en cuenta que el tiempo de funcionamiento es de 24 horas, el gasto faltante seobtiene con

Donde:Qmd = gasto máximo diario, lps.Q disponible = Gasto disponible, lps.N = tiempo de funcionamiento del gasto Q faltante, hr.En una línea de conducción por gravedad, donde el gasto de la fuente de abastecimiento

sea mayor o igual al gasto máximo horario, no es necesario construir un tanque deamortiguamiento o regulación.En este caso la línea de conducción se diseña para el gasto máximo horario, considerandoa ésta como si fuera una línea de alimentación,


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4. TANQUES DE ALMACENAMIENTO

En el proyecto de cualquier sistema de abastecimiento de agua potable, deben de diseñarselos tanques que sean necesarios para el almacenamiento, de tal manera que éstos seantodo el tiempo capaces de suplir las máximas demandas que se presenten durante la vida

útil del sistema, además que también mantengan las reservas suficientes para hacerlesfrente, tanto a los casos de interrupciones en el suministro de energía, como en los casosde daños que sufran las líneas de conducción o de cualquier otro elemento.

El almacenamiento tiene cuatro aspectos de diseño, a saber: volumen de almacenamiento,capacidad del tanque, material de construcción y su ubicación respecto a la red dedistribución.

4.1 Volumen de almacenamiento:

El almacenamiento, atendiendo a las normas, debe cubrir en terminos generales, reserva

para incendios, reserva para interrupcion en el servicio de alimentacion por la fuente, yfinalmente, un volumen para compensacion de fluctuaciones horarias en el consumo.

4.2 Capacidad del tanque a construirse:

De conformidad con las Normas, debe hacerse un análisis de las alternativas deimplementación de la capacidad, ya sea para todo el periodo de diseño o en etapas,conforme un análisis económico.

4.3 Material de construcción del tanque:

Este es un asunto de análisis de costos, que valdria la pena estudiar a fondo, considerandotota la vida útil de los tanques de mamposteria, concreto y acero.

4.4 Ubicación respecto a la Red de distribución:

Este asunto es producto de análisis de alternativas posibles, en que el tanque puedaconstruirse en la linea pozo_red, u opuesto al punto de alimentacion a la red desde lafuente.

5. RED DE DISTRIBUCION

Es importante disponer cuando sea posible, del plan de desarrollo urbano, que permitaconocer el crecimiento en el horizonte del proyecto.

Debe disponerse:1.- El primer paso que habrá que dar, es obtener una actualización de la red de distribuciónexistente, que casi con seguridad se puede decir que no existe y que, por lo tanto habrá queproceder a su actualización.


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2.- Para el diseño de la red de distribución, se requiere el conocimiento de la ubicación dela fuente de abastecimiento que habrá de usarse en el periodo de diseño y en consecuenciaidentificara fácilmente el o los probables puntos de entrada del agua a la red de distribución.Otro punto de identificación de entrada del agua a la red de distribución, será determinadopor la ubicación del tanque de almacenamiento, que por medio de plano de curvas de nivel

y del conocimiento que se tenga de la localidad, es posible localizarlo aproximadamente.Generalmente se ubica en el mismo predio o próximo al predio del tanque existente.

3.- Una vez identificadas las entradas del agua a la ciudad, es entonces cuando el proyectistapuede pensar en el diseño de la red de distribución, para lo cual hay que definir las basesde diseño que se establecen en las normas.

El diseño de la red de distribución, considerado como tal, las tuberias que tienen por funciónllevar el agua a puntos sobresalientes en la ciudad, de donde se parte las tuberiassecundarias que acarrean el agua hasta el frente de las viviendas, no puede considerarseexacto, sino que un poco aproximado. Existen varios métodos de diseño, pero se haráreferencia unicamente al método de las aproximaciones sucesivas de Hardy Cross.

El criterio básico que se sigue en el diseño de las tuberías principales, es el que la velocidadde operación en los diversos tramos de la red, se mantenga dentro del rango recomendadopor las normas.

6. ESTACIONES DE BOMBEO

Para diseñar una estación de bombeo de agua potable, previamente se deben conocer los

siguientes aspectos:

- Fuente de abastecimiento de agua: superficial (cisterna de agua) o subterránea (pozoperforado).- Lugar a donde se impulsará el agua: reservorio de almacenamiento o la red de distribución.- Consumo de agua potable de la población y sus variaciones.- Población beneficiada por el proyecto: actual y futura.- Características geológicas y tipo de suelo del área de emplazamiento de la cámara debombeo.

6.1 Estaciones de bombeoLas estaciones de bombeo son un conjunto de estructuras civiles, equipos, tuberías yaccesorios, que toman el agua directa o indirectamente de la fuente de abastecimiento y laimpulsan a un reservorio de almacenamiento o directamente a la red de distribución.


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6.2 Ubicación de la estación de bombeo

La ubicación de la estación de bombeo debe ser seleccionada de tal manera que permita unfuncionamiento seguro y continuo, para lo cual se tendrá en cuenta los siguientes factores:

- Fácil acceso en las etapas de construcción, operación y mantenimiento.

- Protección de la calidad del agua de fuentes contaminantes.- Protección de inundaciones, deslizamientos, huaycos y crecidas de ríos.- Eficiencia hidráulica del sistema de impulsión o distribución.- Disponibilidad de energía eléctrica, de combustión u otro tipo.- Topografía del terreno.- Características de los suelos.

6.3 Capacidad de la estación de bombeo

Periodo de bombeo

El número de horas de bombeo y el número de arranques en un día, depende del

rendimiento de la fuente, el consumo de agua, la disponibilidad de energía y el costo deoperación.

Por razones económicas y operativas, es conveniente adoptar un periodo de bombeo deocho horas diarias, que serán distribuidas en el horario más ventajoso. En situacionesexcepcionales se adoptará un periodo mayor, pero considerando un máximo de 12 horas.

Tipo de abastecimiento

Se deben considerar dos casos:- Cuando el sistema de abastecimiento de agua incluye reservorio de almacenamientoposterior a la estación de bombeo; la capacidad de la tubería de succión (si corresponde),equipo de bombeo y tubería de impulsión deben ser calculadas con base en el caudalmáximo diario y el número de horas de bombeo.

Donde:Q b = Caudal de bombeo, l/s.Q max.d = Caudal máximo diario, l/s.N = Número de horas de bombeo.- Cuando el sistema de abastecimiento de agua no incluye reservorio de almacenamientoposterior a la estación de bombeo, la capacidad del sistema de bombeo debe ser calculada

en base al caudal máximo horario y las pérdidas en la red distribución.

6.4 Carga dinámica o altura manométrica total

La altura dinámica puede ser definida como el incremento total de la carga del flujo a travésde la bomba. Es la suma de la carga de succión más la carga de impulsión:

Hb = Hs + HiDonde:


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Hb = Altura dinámica o altura de bombeo, m.Hs = Carga de succión, m.Hi = Carga de impulsión, m.

Carga de succión (Hs)

Viene dado por la diferencia de elevación entre el eje de la bomba y el nivel mínimo delagua en la fuente o captación, afectado por la pérdida de carga en el lado de la succión.

Hs = hs + ΔhsDonde:Hs = Altura de succión, esto es, altura del eje de la bomba sobre el nivel inferior del agua,m.Δhs = Pérdida de carga en las succión, m.

Debe considerarse que la carga de succión está limitada por la carga neta de succión positiva(NPSH), además, que debe existir un sumergimiento mínimo de la tubería de succión en elagua.

a) Carga neta de succión positiva (NPSH)Cuando el agua fluye a través de la bomba, la presión en la entrada y en la tubería de succióntiende a disminuir debido a las altas velocidades del flujo.

La carga neta de succión positiva es la diferencia entre la presión existente a la entrada dela bomba y la presión del vapor del líquido que se bombea. Esta diferencia es la necesariapara evitar la cavitación. En el diseño de bombas destacan dos valores de NPSH, el NPSHdisponible y el NPSH requerido.

El NPSH requerido es función del diseño de fábrica de la bomba, su valor, determinadoexperimentalmente, es proporcionado por el fabricante. El NPSH requerido corresponde ala carga mínima que necesita la bomba para mantener un funcionamiento estable. Se basaen una elevación de referencia, generalmente considerada como el eje del rodete.

El NPSH disponible es función del sistema de succión de la bomba, se calcula en metros deagua, mediante la siguiente fórmula

Donde:NPSH disponible = Carga neta de succión positiva disponible, m.

Hatm = Presión atmosférica, m (véase tabla 1).Hvap = Presión de vapor, m (véase tabla 2).hs = Altura estática de succión, m.ΔHs = Pérdida de carga por fricción de accesorios y tubería, m. Para evitar el riesgo de la cavitación por presión de succión, se debe cumplir que


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Sumergencia mínima (ΔH)

La altura del agua entre el nivel mínimo y la unión de la rejilla, o la boca de entrada a latubería, debe ser igual o superior a los límites siguientes (véase figura 3):

a) Para dar cumplimiento a requerimientos hidráulicos. Considerando la velocidad para elcaudal de bombeo requerido:

b) Para impedir ingreso de aire, de acuerdo al diámetro de la tubería de succión (d):

Se seleccionará el valor mayor.

Carga de impulsión

Está dada por la diferencia de elevación entre el nivel máximo de las aguas en el sitio dellegada y el eje de las bombas más la pérdida de carga del lado de la tubería de impulsión:

Donde:hi = Altura de impulsión, o sea, la altura del nivel superior en relación al eje de la bomba, m.Δhi = Pérdida de carga en la tubería de impulsión, m.

Reemplazando las ecuaciones de carga de succión y de carga de impulsión en la ecuaciónde altura manométrica total se tienen las siguientes relaciones:- Bombeo con bombas de eje horizontal y de eje vertical:

- Bombeo son bombas sumergibles:


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6.5 Potencia del equipo de bombeo

El cálculo de la potencia de la bomba y del motor debe realizarse con la siguiente fórmula:


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Donde:Pb = Potencia de la bomba y del motor (HP).Q b = Caudal de bombeo (l/s).Hb = Altura manométrica total (m).η = Eficiencia del sistema de bombeo, η=motor bomba

Debe consultarse al proveedor o fabricante, sobre las curvas características de cada bombay motor para conocer sus capacidades y rendimientos reales.

La bomba seleccionada debe impulsar el volumen de agua para la altura dinámica deseada,con una eficiencia (η) mayor a 70%.

Número de unidades de bombeo

Depende del caudal de bombeo y de sus variaciones, además, de la necesidad de contar deequipos de reserva para atender situaciones de emergencia.

En situaciones donde se requiere solo un equipo de bombeo, es recomendable instalar unoidéntico de reserva, estableciendo un coeficiente de seguridad del 200%; pero si el tamañode los equipos resulta muy grande, es recomendable incrementar el número de ellos,estableciendo coeficientes de seguridad menores, pero mayores alternativas y menorescostos de operación. En tales casos puede admitirse hasta 150% como coeficiente deseguridad de los equipos.


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7. POTABILIZACION DE AGUA

7.1 Proyección de población

Es necesario determinar las demandas futuras de una población para prever en el diseñolas exigencias, de las fuentes de abastecimiento, líneas de conducción, redes dedistribución, equipos de bombeo, planta de potabilización y futuras extensiones delservicio. Por lo tanto, es necesario predecir la población futura para un número de años,que será fijada por los períodos económicos del diseño

Fuente de informaciónLa información necesaria para seleccionar la tasa de crecimiento con la cual habrá deproyectarse la población de la localidad en estudio, podrá conseguirse en las Institucionessiguientes:El Instituto Nicaragüense de Estadísticas y Censos (INEC), el cual maneja toda la información

relacionada con las poblaciones del país. Información proveniente de Instituciones propiasdel lugar, tales como: Alcaldías, ENEL, ENACAL y el Programa de Erradicación de la Malariadel MINSA.

Métodos de CálculoA continuación se dan algunos métodos de cálculo, sin que ellos sean limitantes para su uso.Cada Ingeniero Proyectista está en libertad de seleccionar la tasa de crecimiento y elmétodo de proyección usado

Método Aritmético

Este método se aplica a pequeñas comunidades en especial en el área rural y a ciudadescon crecimiento muy estabilizado y que posean áreas de extensión futura casi nulas.

Tasa de crecimiento geométricoEste método es más aplicable a ciudades que no han alcanzado su desarrollo y que semantienen creciendo a una tasa fija y es el de mayor uso en Nicaragua. Se recomienda usarlas siguientes tasas en base al crecimiento histórico.

1) Ninguna de las localidades tendrá una tasa de crecimiento urbano mayor de 4%2) Ninguna de las localidades tendrá una tasa de crecimiento urbano menor del 2.5%3) Si el promedio de la proyección de población por los dos métodos adoptados presenta

una tasa de crecimiento:a) Mayor del 4%, la población se proyectará en base al 4%, de crecimiento anual.b) Menor del 2.5% la proyección final se hará basada en una tasa de crecimiento del 2.5%.c) No menor del 2.5%, ni mayor del 4%, la proyección final se hará basada en el promedioobtenido.


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7.2 Cálculo de dotaciones

En este capítulo se describe el cálculo de dotaciones, o de la cantidad de agua que requiereuna población para satisfacer sus necesidades en un tiempo, por lo general se estima en unintervalo de un año, el cálculo de las pérdidas en el sistema, y las dotaciones, para llegar alfinal al caudal de diseño que es una herramienta básica para iniciar con el diseño de plantas

de potabilización. Se seguirá las recomendaciones de la normatividad de INAA.

CONSUMO DE AGUA

Dotación, es la cantidad de agua necesaria que requerirá una población, durante un año. Labase más segura para el cálculo del consumo de agua son los datos de consumo actual ypasado, teniendo en cuenta los factores que pueden influir en el futuro.

El consumo es expresado en términos del consumo medio diario por habitante durante unaño (dotación). Se obtiene sumando el consumo de todos los días del año y dividiendo el

consumo total por 365 días y por la población:

Donde:

qm = consumo medido expresado en lt/Hab/díaP = Población servida (no la población total)

Dotación netaLa dotación neta corresponde a la cantidad mínima de agua requerida, para satisfacer lasnecesidades básicas de un suscriptor o de un habitante, dependiendo de la forma deproyección de la demanda de agua, sin considerar las pérdidas que ocurran en el sistemade acueducto.

Dotación Neta por HabitanteEn caso de que se opte por la opción para el cálculo de la demanda de agua, mediante laproyección de la población, la dotación neta por habitante es función del nivel decomplejidad del sistema y sus valores máximos se deben establecer con la tabla indicada enla norma de INAA.


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CONSUMO DOMESTICOPara la ciudad de Managua

Clasificación de los Barriosa- Asentamientos progresivos

Son unidades de viviendas construidas con madera y láminas, frecuentemente sobre unbasamento de concreto. Estos barrios no tienen conexiones privadas en la red de aguapotable, pero se abastecen mediante puestos públicos.b- Zonas de máxima densidad y actividades mixtas.Las viviendas avecinan talleres y pequeñas industrias en un tejido urbano heterogéneo. Entérminos de superficie, las viviendas ocupan un promedio del 65% del área total del terrenoy todas están conectadas a la red de agua potable.c- Zonas de alta densidadEn los núcleos de viviendas de estas zonas se encuentran construcciones de todo tipo, desdela más sencilla hasta casas de alto costo pero en lotes con dimensiones y áreas homogéneas

(150 m

2

a 250 m

2

). Casi todas las viviendas están conectadas a la red de agua potable.d- Zonas de media densidadSe trata de viviendas de buen nivel de vida con áreas de lotes que varían entre los 500 m2 y700 m2. Todas están conectadas a la red de agua potable.e- Zonas de baja densidadSon áreas de desarrollo con viviendas de alto costo y de alto nivel de vida construidas enlotes con área mínimas de 1.000 m2. Todos conectados a la red de agua potable.

Para las ciudades del resto del paísSe usarán las dotaciones señaladas en la siguiente Tabla:


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Consumo comercial, industrial y público

Para la ciudad de ManaguaSe usarán las cifras contenidas la siguiente tabla:

Para las ciudades y localidades del resto del país.

Se usarán los porcentajes de acuerdo a la dotación doméstica diaria, ver la siguiente tabla:

Agua para incendios

La cantidad de agua que todo acueducto debe tener disponible para combatir laeventualidad del incendio, estará adecuada a la capacidad del sistema y al rango de lapoblación proyectada.


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7.3 Cálculo de caudales

El caudal, se relaciona a la demanda de agua que requiera la población en un periodo dediseño determinado. Para esto es necesario determinar el Qmd (Caudal medio diario), QMD(Caudal máximo diario), y el caudal máximo horario (QMH),

CÁLCULO DE PÉRDIDAS EN EL SISTEMA DE ACUEDUCTOLas pérdidas de agua en el sistema de acueducto corresponden a la diferencia entre elvolumen de agua tratada y medida a la salida de las plantas potabilizadoras y el volumen deagua entregado a la población y que ha sido medido en las acometidas domiciliarias delmunicipio.

De acuerdo con sus características, las pérdidas se clasifican en dos grandes grupos: técnicasy comerciales.

Pérdidas técnicas en el sistema de acueductoIncluyen las fugas en tuberías y accesorios y en estructuras, como reboses en tanques dealmacenamiento, plantas de tratamiento, etc. Por lo general estas se subdividen en visiblesy no visibles. Para establecer el porcentaje de pérdidas físicas deben tenerse en cuenta losdatos registrados disponibles en el municipio o en la persona prestadora sobre pérdidas de


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agua en el sistema de acueducto desde las plantas potabilizadoras, incluidos los consumosrequeridos para las operaciones en la red de distribución.

Pérdidas comerciales en la red de distribuciónLas pérdidas comerciales son aquellas relacionadas con el funcionamiento comercial y

técnico de la persona prestadora del servicio. Estas pérdidas incluyen las conexionesfraudulentas, los suscriptores que se encuentren por fuera de las bases de datos defacturación de la empresa y los caudales dejados de medir por imprecisión o deficienteoperación de los medidores domiciliarios.

Dentro del proceso de diseño, esta cantidad de agua se pierde tanto por razones técnicas ocomerciales, se puede expresar como un porcentaje del consumo del día promedio. En elcaso de Nicaragua, el porcentaje se fijará en un 20%.

DOTACIÓN BRUTAEs la cantidad máxima de agua requerida para satisfacer las necesidades básicas de unhabitante considerando para su cálculo el porcentaje de pérdidas que ocurran en el sistemade acueducto.La dotación bruta para el diseño de cada uno de los componentes que conforman unsistema de acueducto, indistintamente del nivel de complejidad, se debe calcular conformea la siguiente ecuación:

=

1 − %

Donde:Dbruta: Dotación brutaDneta: Dotación neta

%p: pérdidas técnicas máximas admisibles

Caudal medio diarioEl caudal medio diario, Qmd, es el caudal medio calculado para la población proyectada,teniendo en cuenta la dotación bruta asignada. Corresponde al promedio de los consumosdiarios en un período de un año y puede calcularse mediante la siguiente ecuación:

Donde:Q md: caudal medio diario: l/s

Dbruta: dotación bruta, dada en metros cúbicos/suscriptor mes.

Factores de Máximas DemandasEstas variaciones del consumo estarán expresadas en porcentajes de las demandapromedio diario de la manera siguiente:


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a.- Caudal máximo diarioEl caudal máximo diario, QMD, corresponde al consumo máximo registrado durante 24horas durante un período de un año. Se calcula multiplicando el caudal medio diario por elcoeficiente de consumo máximo diario, k1. El caudal máximo diario se calcula mediante lasiguiente ecuación:

QMD = Qmd * K1

Donde:QMD: caudal máximo diarioQmd: caudal medio diariok1: coeficiente de consumo máximo diario

Donde K1 será igual al 130% de la demanda promedio diaria para la ciudad de Managua(K1=1.30) . Para las otras localidades del resto del país, este parámetro estará entre el 130%a 150%.

b.- Caudal máximo horarioEl caudal máximo horario, QMH, corresponde al consumo máximo registrado durante unahora en un período de un año sin tener en cuenta el caudal de incendio. Se calcula como elcaudal máximo diario multiplicado por el coeficiente de consumo máximo horario, k2,según la siguiente ecuación.

Para la ciudad de Managua el factor K2 será igual al 150% de la demanda del día promedio(K2=1.50) , y para las localidades del resto del país, será igual al 250% del mismo día.

QMH = QMD * K2


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7. 4 Introducción a los procesos de potabilización y pre tratamiento

En este acápite se introducen, en este módulo de diseño de sistemas de agua, los procesosde tratamientos de potabilización, desde la mirada de los procesos unitarios; esta es unanueva clasificación de los procesos de tratamiento empleada a nivel mundial que nos

permite, analizar el proceso de potabilización desde cada una de las operaciones unitariasque se llevan a cabo, porque estos procesos pueden ser aplicados en diferentes vectores yasea en suelo o aire, sin embargo enfatizaremos en el vector agua, por ser el que nosconcierne en el campo de la potabilización de agua. Además iniciamos con la primeratecnología que se desarrolla en el proceso de potabilización que se denominan lospretratamientos, la mayoría de los casos pertenecen al grupo de los procesos unitarios detransferencia de sólidos.

7.4.1 Procesos unitarios para potabilización de agua:

Las diversas actividades agrícolas, ganaderas, industriales y recreacionales del ser humanohan traído como consecuencia la contaminación de las aguas superficiales con sustanciasquímicas y microbiológicas, además del deterioro de sus características estéticas. Parahacer frente a este problema, es necesario someter al agua a una serie de operaciones oprocesos unitarios, a fin de purificarla o potabilizarla para que pueda ser consumida por losseres humanos.

Un proceso unitario son aquellas transformaciones en las que existe la presencia de unareacción química de por medio y que involucran una o varias operaciones unitarias. Unaoperación unitaria es un proceso químico, físico o biológico mediante el cual las sustanciasobjetables que contiene el agua son removidas o transformadas en sustancias inocuas. Lamayor parte de los procesos originan cambios en la concentración o en el estado de una


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sustancia, la cual es desplazada o incorporada en la masa de agua. Este fenómeno recibe elnombre de transferencia de fase. Son ejemplos de ello la introducción de oxígeno al agua(transferencia de la fase gaseosa a la líquida) y la liberación de anhídrido carbónicocontenido en el agua (transferencia de la fase líquida a la gaseosa) mediante el proceso deaireación.

Los principales Procesos Unitarios empleadas en el tratamiento del agua para consumohumano son los siguientes:

Transferencia de sólidosSe consideran en esta clasificación los procesos de cribado, sedimentación, flotación yfiltración.Cribado o cernido

Consiste en hacer pasar el agua a través de rejas o tamices, los cuales retienen los sólidosde tamaño mayor a la separación de las barras, como ramas, palos y toda clase de residuossólidos. También está considerado en esta clasificación el microcernido, que consistebásicamente en triturar las algas reduciendo su tamaño para que puedan ser removidasmediante sedimentación.

En la siguiente figura, se observa las rejillas de una planta de tratamiento, estas rejillas sonel primer paso en el tratamiento, por ejemplo cuando el agua proviene de un rio o fuentesuperficial, tienen una amplia separación de barras, que permite retener únicamente lossólidos muy gruesos, y su limpieza es manual.

modulo iv diseño de sistemas de agua potable febrero 2016

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