sistemas de agua potable

Jacinto Rojas Alvarez Ingeniero Civil

MIS APUNTES DE CLASES……………………………………………………………………………………………………



1 43,55/ 42,55

2 42,60/ 41,60 3 42,71 / 41,71

100 m



ALCANTARILLADO SANITARIO.



El alcantarillado sanitario se diseña para evacuar las aguas residuales de una población.

CAUDAL DE DISEÑO.Está compuesto por los siguientes aportes:

Aguas residuales domésticas. Aguas residuales industriales, comerciales e institucionales. Aguas de infiltración. Conexiones erradas.

CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS.Usualmente se cuantifica este aporte basándose en el consumo de agua potable determinado para el diseño del sistema de agua potable.

El aporte medio diario para cada una de las zonas se puede expresar en función del área servida y sus caracterís ticas:



Cr x C x D x AQ = --------------------------

86.400

También se puede expresar en función del número de habitantes servidos por el alcantarillado:

Cr x C x PQ = -----------------------

86.400

Q: caudal medio de aguas residuales domésticas, L/sCr: coeficiente de retorno.C: consumo neto de agua potable, L/hab . dD: densidad de población de la zona, hab/Ha.A: área de drenaje de la zona, Ha.P: número de habitantes de la zona.



El comportamiento hidráulico del alcantarillado sanitario puede ser diferente en el inicio y final del proyecto, por lo que es necesario evaluar el caudal para ambos extremos.

COEFICIENTE DE RETORNO No toda el agua consumida dentro del edificio va al alcantarillado, ya que una parte se usa en riego, lavado de pisos, cocina, etc. Un porcentaje estimado entre el 65 y 85 % es el que va al alcantarillado; este porcentaje se denomina “coeficiente de retorno”.

CONSUMO DE AGUA POTABLEEl consumo de agua potable que debe considerarse corresponde al consumo neto del domicilio.

POBLACIÖNLa población servida puede estimarse como el producto de la densidad de población y del área bruta servida por dicho colector. También puede estimarse a partir del número de viviendas y del número de habitantes por vivienda.



DENSIDAD DE POBLACIÖN.Es el número de personas que habitan en una determinada área; usualmente se expresa en hab/Ha. (habitantes por hectárea). Se debe diseñar con la máxima densidad esperada y verificar el comportamiento hidráulico del sistema con la densidad actual.

En poblaciones pequeñas la densidad tiende a fluctuar entre 100 y 200 hab/Ha.En poblaciones grandes o ciudades, la densidad puede llegar a 400 hab/Ha o más.

AREA DE DRENAJELa determinación de las áreas de drenaje a cada colector debe hacerse de acuerdo a la topografía de la población y el trazado de las tuberías. El área bruta de drenaje aferente a cada colector se obtiene trazando las diagonales o bisectrices sobre las manzanas. Las zonas de uso recreacional deben incluirse en dicha área.

CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES.Este aporte varía según el tipo, tamaño y otras características de la industria.



Para poblaciones pequeñas sin zonas industriales definidas o pequeñas industria, puede tomarse un aporte medio de 0,40 L/s.Ha hasta 1,50 L/s.Ha (según tamaño de la población); El área corresponde a las de uso industrial. Este caudal debe definirse tanto para el inicio y final del proyecto.

CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES COMERCIALES.Cuando no se tenga información claramente definida, se puede emplear un aporte comercial medio de 0,40 L/s.Ha a 0,50 L/s.Ha. El área a considerar será la de uso comercial. El caudal debe definirse para las condiciones de inicio y final del proyecto.

CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES INSTITUCIONALES.Se refiere a los aportes de escuelas, colegios, universidades, centros de salud, hospitales, hoteles u otros. Este aporte varía, por lo que debe considerarse cada caso particular.. Para instituciones pequeñas localizadas en zonas residenciales, puede considerarse un aporte medio diario entre 0,40 L/s.Ha y 0,50 L/s.Ha. El área corresponde a la de uso institucional. El caudal debe definirse para el inicio y final del proyecto.



CAUDAL MEDIO DIARIO DE AGUAS RESIDUALES.El aporte medio diario al alcantarillado sanitario resulta de sumar los aportes domésticos, industriales, comerciales e institucionales. Se deben obtener para el periodo inicial y para el periodo final del proyecto.

CAUDAL MAXIMO HORARIO DE AGUAS RESIDUALES.El caudal de diseño de la red de colectores debe contemplar el caudal máximo horario; se determina a partir de factores de mayoración del caudal medio diario. Los tramos iniciales tendrán factores de mayoración más altos que los que tendrá el emisario final.

ECUACION DE BABBIT. Para poblaciones menores de mil habitantes.

Q max horario = Qm x [ 5 / P 0,2 ] Qm: caudal medio

ECUACION DE HARMON. Para poblaciones entre mil y un millón de habitantes.



18 + √ P/1000Q max horario = Qm x [ --------------------- ]

4 + √ P/1000

ECUACION DE LOS ANGELES. Para caudales entre 2,8 L/s y 28, 3 m3/s

Q max horario = Qm x [ 3,53 / Qm 0,0914 ]

CAUDAL DE INFILTRACION.El agua debajo del nivel freático tiende a ingresar a través de las uniones, fisuras o conexiones al sistema sanitario; este se denomina caudal de infiltración y se estima en base a las características de permeabilidad del suelo en el que se construye el sistema sanitario. Puede expresarse por metro lineal de tubería o por su equivalente en hectáreas de agua drenada.



APORTE DE INFILTRACION POR LONGITUD DE TUBERÍA.

INFILTRACION ( L/s. Km)CONDICIONES ALTA MEDIA BAJA

Tuberías existentes 4 3 2Tubería nueva unión cemento 3 2 1Tubería nueva unión caucho 1,5 1 0,5

APORTE DE INFILTRACION POR AREA DRENADA

INFILTRACION (L/s. Ha)ALTA MEDIA BAJA



0,15 – 0,4 0,1- 0,3 0,05 – 0,2

Se recomienda utilizar los valores superiores del rango establecido en la tabla de infiltración por área drenada cuando las condiciones de construcción no sean las mejores y la precipitación y riesgo de amenaza sísmica sean elevadas.

CAUDAL DE CONEXIONES ERRADAS.Se refiere a las conexiones clandestinas y a las de aguas lluvias que por equivocación se conectan al sistema sanitario.Existen diversos criterios para estimar este aporte, sin embargo se podría considerar:

Para poblaciones que disponen de un sistema de alcantarillado pluvial el valor de conexiones erradas puede variar de 0,1 L/s.Ha a 0,2 L/s. Ha.; el valor máximo para poblaciones pequeñas donde las medidas de control no son tan eficientes.

En caso de no existir el alcantarillado pluvial, el aporte de conexiones erradas es mayor y puede ser superior a 2 L/s.Ha.



Las conexiones erradas también pueden definirse por la densidad de la población y adoptar coeficientes de aportes unitarios que en poblaciones pequeñas son del orden de 5 L/h.d

CAUDAL DE DISEÑO.

Corresponde a la suma del caudal máximo horario (aporte doméstico, industrial, comercial e institucional), caudal de infiltración y caudal de conexiones erradas. Debe calcularse para las condiciones finales del proyecto (periodo de diseño), situación para la cual se ha de dimensionar el sistema; y, para las condiciones iniciales se verifica el funcionamiento hidráulico del sistema previamente dimensionado.El caudal de diseño mínimo para cualquier colector debe ser 1,5 L/s

OTRAS ESPECIFICACIONES DE DISEÑOTambién se deben cumplir las siguientes normas específicas para alcantarillados:

VELOCIDAD



VELOCIDAD MÏNIMA.Cuando la tubería trabaja con caudales menores que el caudal de diseño es usual que los sólidos transportados se sedimenten. Para lograr la resuspensión del material sedimentado, se debe diseñar una tubería con características de auto-limpieza, definida según criterios de velocidad mínima y esfuerzo cortante mínimo.

La velocidad mínima recomendada para alcantarillados convencionales es 0,45 m/s (para transporte de aguas residuales con predominio de aporte doméstico, con DBO efectiva < 200 mg/L).

Para alcantarillados simplificados la velocidad debe ser superior a 0,40 m/s La velocidad mínima para transportar agus residuales industriales depende de la

demanda bioquímica de oxigeno DBO efectiva, la cual se determina en base a la DBO5 y cuya relación es:

DBOefectiva = 1,25 DBO5 (1,07)T- 20

T: temperatura del agua en grados centígrados.



VELOCIDADES MÍNIMAS REALES PARA RESIDUOS INDUSTRIALESDBOefectiva (mg/L) VELOCIDAD MINIMA (m/s)

< 225 0,50225 - 350 0,65351 - 500 0,75501 - 690 0,90691 - 900 1

VELOCIDAD MÀXIMA



Para cualquier caso y a fin de evitar la abrasión de la tubería, la velocidad máxima será 5 m/s

ESFUERZO CORTANTESe debe calcular el esfuerzo cortante medio con el fin de verificar la condición de auto-limpieza de la tubería.

τ = γ R S

τ: esfuerzo cortante medio , N/m2

γ: peso específico del agua residual, 9,81 KN/m3R: radio hidráulico de la sección de flujo, m.S: pendiente de la tubería.



El esfuerzo cortante mínimo recomendado para las condiciones de operación inicial de un alcantarillado sanitario convencional es de 1,5 N/m2 (0,15 Kg/m2). Para sistemas de alcantarillados sanitarios simplificados se puede reducir a un mínimo de 1 N/m2.

Si la pendiente de los colectores debe ser muy baja que no se pueda cumplir con la especificación de velocidad mínima de 0,45 m/s; se puede admitir tal condición, siempre y cuando se garantice un esfuerzo cortante medio superior a 1,2 N/m2.

Los sistemas de alcantarillados que transportan aguas residuales industriales deben diseñarse para cumplir con un esfuerzo cortante mínimo del orden de 1,5 N/m2 a 2 N/m2.

DIAMETRO MINIMOEl diámetro mínimo para los colectores de un alcantarillado sanitario convencional debe ser 8” (200 mm). En alcantarillados simplificados o poblaciones pequeñas puede justificarse el uso de diámetro mínimo = 6” (150 mm).



BORDE LIBRE.Para la selección del diámetro (con hipótesis de flujo uniforme y permanente), se acostumbra a utilizar la ecuación de Manning.

R 2/3 S 1/2

V = -------------------------- n

V: velocidad media en la sección (m/s)R: radio hidráulico (m); R = A/P.

R´: radio hidráulico para la sección a tubo lleno; R´ = π D2/ 4 π D R´ = D/4.

A: área de la sección de flujo (m2)



P: perímetro mojado (m)D: diámetro de la sección (m)S: pendiente de la línea de energía (m/m)C: coeficiente de resistencia al flujo de Chezy.n: coeficiente de rugosidad de Manning.

La Ecuación de Manning, en términos del caudal y del diámetro de la tubería es:

D 8/3 S 1/2

Q = 0,312 [ ------------------ ] n

n QD = 1,548 [ ---------- ] 3/8

S 1/2



El diámetro obtenido con esta ecuación debe aproximarse al diámetro nominal superior y con ello se obtiene un borde libre por encima de la lámina de agua hasta la clave de la tubería.

Al seleccionar el diámetro nominal superior se debe asegurar un borde libre que permita la adecuada ventilación de la tubería, en razón de la alta peligrosidad de los gases que en ella se forman.

El borde libre puede estar en función del máximo porcentaje de utilización de la capacidad de transporte de agua en la tubería (Q / Qo) dado en la siguiente tabla:

BORDE LIBRE EN FUNCIÓN DE Q/Qo MAXIMA PERMITIDA.DIAMETRO DE TUBERIA Q/Qo máxima

200 mm – 600 mm 0,6600 mm – 1200 mm 0,7

> 1200 mm 0,9



El borde libre también puede estar dado por la relación entre la profundidad hidráulica al diámetro interno del colector (H/D), la cual debe ser máximo el 85 %.

CORROSIÓN

El problema de la corrosión en tuberías de concreto, asbesto – cemento, hierro o acero, solubles en ácido puede ocasionar la falla de la tubería.

El proceso de degradación de la materia orgánica comienza por la reducción bacterial de sulfatos en condiciones anaeróbicas y de pH bajo, produciéndose ácido sulfhídrico (H2S). El ácido sulfhídrico es liberado a la atmósfera de la



alcantarilla, donde entra en solución con el agua condensada acumulada en la corona de la tubería. Posteriormente, bajo la acción de la bacteria aeróbica Thiobacillus, se presenta la oxidación del ácido sulfhídrico, produciendo ácido sulfúrico (H2SO4).

El fenómeno de la corrosión se agrava en situaciones de pendientes bajas, produciéndose velocidades bajas, tiempos de retención largos, poca ventilación del sistema con borde libre pequeño y temperaturas relativamente altas.

Es posible contrarrestar la corrosión mediante revestimiento interno de la tubería con material inerte, ventilación forzada o con cloración (solución temporal).

Se puede prever la posible generación de ácido sulfhídrico mediante la aplicación del índice de Pomeroy (Z)

PZ = 3 (DBO5) (1,07) (T – 20) ---------------------

S 1/2 Q 1/3 H



ESTIMACIÓN DE GENERACIÓN DE H2S(Según índice Pomeroy)

INDICE DE POMEROY (Z) GENERACIÓN H2S< 5.000 POCO PROBABLE5.000 – 10.000 PROBABLE> 10.000 MUY PROBABLE



DISEÑO DEL ALCANTARILLADO SANITARIO CONVENCIONAL

Sobre el plano de lotes de la población, se debe hacer el trazado de red de colectores, seleccionando los colectores iniciales y enumerando los pozos considerando la topografía del terreno, el funcionamiento a gravedad y los criterios de localización de tuberías.

Localización de tuberías.El trazado de la red de colectores debe seguir la disposición topográfica de las calles.

Por protección a la red de agua potable, las tuberías del alcantarillado sanitario y las de agua potable deberán estar localizadas en lados opuestos de la calzada.

La cota clave de las tuberías de aguas servidas debe quedar por lo menos 0,30 m. debajo de la cota invert de las tuberías de agua potable; horizontalmente deben quedar separadas por lo menos 1,00m. En caso de no poder cumplirse la



distancia vertical mínima debe diseñarse la protección adecuada a la red de agua potable.

Profundidad mínima En general, la profundidad mínima a la clave de la tubería debe ser 1,20 m con

respecto a la rasante de la calzada. En zonas verdes o de vías peatonales y de tráfico liviano, la profundidad mínima

puede reducirse a 0,75 m. En terrenos planos, donde existen problemas de drenaje por la poca pendiente, es

posible reducir la profundidad mínima, pero teniendo en cuenta la seguridad estructural de la tubería.

Área de drenaje aferenteUna vez trazada la red de colectores y enumerado los pozos se debe determinar el área aferente a cada colector, trazando diagonales o bisectrices sobre cada manzana. Luego se establece el caudal de aguas residuales.



bisectrices

diagonales

Área aferente al colector 4-5

2

4

3

5



PARAMETROS DE DISEÑOPeriodo de diseñoEl periodo de diseño para redes de alcantarillados sanitarios oscila entre 15 y 25 años, dependiendo del tamaño de la población y su capacidad económica.

Para este ejemplo consideraremos un periodo de 15 años.

Población de diseñoLa población actual y futura servida por el proyecto se determina en base a los censos y métodos de proyección; o, por el producto de la densidad poblacional y área servida por los colectores.

Para el ejemplo; adoptaremos la siguiente información:

PROYECCIÓN DE LA POBLACIÓNAÑO POBLACIÓN (HAB)2.007 6.000



2.022 6.800

AreaÁrea actual (2.007) de la población: 14 Ha.Área proyectada (2.002): 18 Ha.

Densidad poblacionalLa densidad poblacional en una misma ciudad puede ser uniforme o variar según diferentes usos o estratos socio – económicos; en este último caso es necesario considerar la zonificación.

Para el presente ejemplo, consideraremos que es uniforme; por lo tanto:

D = P /A D = 6800 / 18; D = 378 h/Ha.



ConsumosConsideraremos para el ejemplo un consumo neto de agua potable de 200 L/h.d, para el año 2.022.

Caudal de diseñoPara determinar el caudal de diseño de cada colector se tabula la información en la respectiva hoja de cálculos. El caudal de diseño mínimo es de 1,5 L/s.



DISEÑO SANITARIOCALCULO DE LOS CAUDALES DE DISEÑO

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 tramopozos

ÁreaParcial

ÁreaTotal Á

dom

DDensid.

PPoblac.

AporteUnit.

Domést.

AInd.

AporteUnitInd

ACo

AporteUnitCom

AIns.

Aporte unitInst

ÁreaTotal

AporteUnit

Ponde

CaudalMedioDiario

CoefMayoración

CaudalMax.Hor

CoeInfil

CaudalInf.

CoeConErra.

CaudConErra

Qd

Cal Qd

Caudal domestico Industrial Comercial Institucional



Ha Ha % h/Ha h L/s. Ha % L/s.Ha % L/s.Ha % L/s.Ha %rado

L/s.Haagua residL/s

F L/s l/sha L/s l/sha L/s L/s L/s

1-22-44-77-8

1-3



2-33-5

4-55-88-9

3-6

5-6



6-99-10

6-10

10-A



Explicación de la tabla de cálculos

Columna 1: Identificación del tramo de colector.Se identifica el tramo del colector con la numeración de los pozos inicial y final.Ejs: tramo 1-2; 2-4; etc.

Columna 2: Área parcial en Ha.Corresponde al área aferente a cada tramo (colector). Ejemplo:



El área aferente al colector 2-4 es a4.

a4 = (100 x 50)/2 = 2.500 m2

A 2-4 = 0,25 Ha

1

2

4

3

5

a1

100 m

100 m

100 ma4

87

a6

a7

a8

a9

El área aferente al colector 4-5 son a7

y a8.

a7 = 0,25 Haa8= 0,25 Ha

A 4 -5 = 0,50 Ha

a2

a3

a5



Columna 3: Área total de drenaje en Ha.Se acumula el área de drenaje de los colectores aguas arriba del colector en cuestión.



Ej, para el tramo 5-8, el área total es igual al área aferente del propio tramo 5-8 más la suma de las áreas totales de los tramos aguas arriba.

At 5-8 = A 5-8 + At 4-5 + At 3-5

(col 3) 5-8 = (col 2) 5-8 + (col 3) 4-5 + (col 3 ) 3-5

A 5-8 = a9 = 0,25 Ha (col 2) 5-8 At 4-5 = a7 + a8 = 0,50 Ha (col 3) 4-5

At 3-5 = a6 + a2 + a3 + a4 At 3-5 = 0,25 + 0,167 + 0,167 + 0,25 = 0,834 Ha (col 3 ) 3-5

At 5-8 = 0,25 + 0,50 + 0,834 = 1,584 Ha



At 5-8 = 1,584 Ha

Columna 4: Porcentaje de área (uso doméstico)Es el porcentaje de área aferente destinada a uso doméstico. Se obtiene en base al plano de zonificación según el uso (hay zonas residenciales, comerciales, industriales, institucionales).

Columna 5: Densidad poblacional (h/Ha)Es la densidad de la población del área aferente al colector. En este ejemplo se considera uniforme para toda la población.

D = P / AD = 6.800 /18 = 378 h /Ha. D = 378 h/Ha

Columna 6: Población servida (habitantes)



Corresponde al número estimado de habitantes que servirá el colector (se debe tomar en cuenta la densidad poblacional de cada zona; en nuestro ejemplo se ha supuesto la misma densidad para toda la población)

Pi = Ai x Di + ∑ P aguas arriba

Ej, P 1-2 = a1 x 378 = 0,167 x 378 = 63 h

P2-4 = a4 x 378 + P 1-2

P2-4 = 0,25x 378 + 63 = 158 h

También se puede calcular así: P2-4 = At2-4 x DP2-4 = At2-4 x DAt2-4 = a1 + a4 = 0,167 + 0,25 = 0,417 Ha

P2-4 = 0,417 x 378 = 158 h.



Columna 7: Aporte unitario de aguas residuales domésticas (L/s.Ha)El aporte doméstico es el mismo para todos los colectores, siempre y cuando no cambie la densidad poblacional. Se calcula con la siguiente fórmula:

Cr x C x D 0,80 x 200 x 378Q = ------------------------ = --------------------------- = 0,70 L/s.Ha

86.400 86.400

Columna 8: Porcentaje de área destinada a uso industrialSe obtiene o se estima de acuerdo al plano respectivo.

Columna 9: Aporte industrial.Puede tomarse un aporte medio comprendido entre 0,40 y 1,50 L/s.Ha.Para el ej, se ha estimado 0,60 L/s.Ha

Columna 10: Porcentaje de área comercial



Se obtiene o se estima en base al plano respectivo

Columna 11: Aporte comercialPuede considerarse un aporte comercial medio de 0,40 a 0,50 L/s.HaPara el ejemplo considere 0,50 L/s.Ha.

Columna 12: Porcentaje de área institucionalSe obtiene o se estima en base al plano respectivo

Columna 13: Aporte institucional.Puede tomarse un aporte medio diario de entre 0,40 y 0,50 L/s.Ha.Para el ejemplo considere 0,50 L/s.Ha.

Columna 14: Área total en porcentajeSe suman los porcentajes de las distintas áreas; doméstica, industrial, comercial e institucional, debiendo obtenerse el 100 % en todos los casos.



Columna 15: Aporte unitario ponderado (L/s.Ha)Promedio ponderado de los aportes unitarios aferentes a cada colector, con el porcentaje de uso del suelo.

qm = [Ad(%) x qd] + [ Aind(%) xqind] + [ Acom (%) x qcom] + [ Ains (%) x qins]

(col 15) = [ col 4 x col 7] + [ col 8 x col 9] + [ col10 x col 11] + [ col 12 x col 13]

Columna 16: Caudal medio diario de aguas residuales (L/s)Es el aporte correspondiente al área aferente más los caudales recibidos por el colector agua arriba.Qm i = qm i x Ai + ∑ Qm aguas arriba

Ejemplo:

Qm 5-8 = qm 5-8 + Qm 4-5 + Qm 3-5



(col 16) 5-8 = (col 15) 5-8 + (col 16) 4-5 + (col 16) 3-5

Columna 17: coeficiente de mayoraciónPara la mayoración del caudal medio diario se utiliza la fórmula de Harmon, teniendo en cuenta la población servida por el colector dividida para 1000.

18 + √ P/1000F = -----------------------

4 + √ P/1000

Columna 18: Caudal máximo horario de aguas residuales (L/s).Corresponde al producto del caudal medio diario de aguas residuales por el coeficiente de mayoración F.

Col 18 = Col 16 x col 17

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