Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniera Escuela de Ingeniera Civil

APUNTES SOBRE EL CURSO DE INGENIERA SANITARIA 1

Pedro Aguilar Ruiz

Asesorado por el Ing. Pedro Antonio Aguilar Polanco

Guatemala, octubre de 2007

1

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERA

APUNTES SOBRE EL CURSO DE INGENIERA SANITARIA 1TRABAJO DE GRADUACIN

PRESENTADO A LA JUNTA DIRECTIVA DE LA FACULTAD DE INGENIERA POR:

PEDRO AGUILAR RUIZ

ASESORADO POR EL ING. PEDRO ANTONIO AGUILAR POLANCO

AL CONFERRSELE EL TTULO DE

INGENIERO CIVIL

GUATEMALA, OCTUBRE DE 2007

2

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERA

NMINA DE JUNTA DIRECTIVA

DECANO VOCAL I VOCAL II VOCAL III VOCAL IV SECRETARIA

Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos Inga. Glenda Patricia Garca Soria Inga. Alba Maritza Guerrero de Lpez Ing. Miguel ngel Dvila Caldern Br. Kenneth Issur Estrada Ruiz Ing. Marcia Ivonne Vliz Vargas

TRIBUNAL QUE PRACTIC EL EXAMEN GENERAL PRIVADO

DECANO: EXAMINADOR: EXAMINADOR: EXAMINADOR: SECRETARIA:

Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos Ing. Guillermo Francisco Melini Salguero Ing. Jos Gabriel Ordez Morales Ing. Oswaldo Romero Escobar lvarez Inga. Marcia Ivonne Vliz Vargas

3

HONORABLE TRIBUNAL EXAMINADOR

Cumpliendo con los preceptos que establece la ley de la Universidad de San Carlos de Guatemala, presento a su consideracin mi trabajo de graduacin titulado:

APUNTES SOBRE EL CURSO DE INGENIERA SANITARIA 1,

tema que me fuera asignado por la Direccin de la Escuela de Mecnica Elctrica, el 22 de febrero de 2004.

Pedro Aguilar Ruiz

4

5

6

7

ACTO QUE DEDICO A

Mis padres Pedro Antonio Aguilar Polanco Norma Patricia Ruiz Torres de Aguilar

Mi hermano Gustavo Aguilar Ruiz

Cynthia Alvarado

8

AGRADECIMIENTOS A

Dios.

Mis familiares y amigos.

La Facultad de Ingeniera, de la Universidad de San Carlos de Guatemala.

9

NDICE GENERAL

NDICE DE ILUSTRACIONES RESUMEN OBJETIVOS INTRODUCCIN

VII XI XV XVII

1. DEFINICIN Y CONCEPTOS

1

1.1 Agua potable 1.2 Determinacin de la calidad del agua 1.2.1 Muestras de agua 1.2.2 Examen bacteriolgico 1.2.3 Anlisis fsico-qumico 1.2.3.1 Anlisis fsico 1.2.3.2 Anlisis qumico 1.2.3.2.1 Dureza 1.2.3.2.2 Alcalinidad 1.2.3.2.3 Cloro residual 1.3 Componentes de un sistema del agua 1.4 Frmulas hidrulicas usadas en el diseo de abastecimiento de agua 1.4.2 Ley de Darcy 1.4.3 Frmula de Manning 1.4.4 Frmula de Hazen & Williams 1.5 Normas para el diseo de un sistema de abastecimiento de agua

1 3 3 4 7 7 7 8 8 8 11

12 12 13 14

15

10

2. TIPOS DE FUENTES DE AGUA Y CAPTACIONES

17

2.1 Tipos de fuentes 2.1.1 Aguas de manantiales 2.1.2 Ros 2.1.3 Lagos 2.1.4 Aguas de lluvia 2.1.5 Aguas subterrneas 2.2 Aforos 2.2.1 Mtodos de aforo ms utilizados en abastecimientos de agua 2.2.2.1 Aforo volumtrico 2.2.1.2 Aforos utilizando flotadores 2.2.1.3 Aforo de pozos perforados 2.3 Obras de captacin 2.3.1 Captacin de agua de lluvia 2.3.2 Captacin de agua de manantial 2.3.3 Captaciones de aguas subterrneas 2.3.3.1 Pozos excavados 2.3.3.2 Pozos hincados 2.3.3.3 Galeras de infiltracin 2.3.3.4 Pozos perforados o mecnicos 2.3.4 Captaciones de aguas superficiales 2.3.4.1 Ros 2.3.4.2 Lagos

17 18 19 19 19 20 20

20 20 21 22 23 24 24 26 26 28 28 29 33 33 34

11

3. PARMETROS DE DISEO

35

3.1 Levantamiento topogrfico 3.2 Perodo de diseo 3.2.1 Factores influyentes en el perodo de diseo 3.3 Estimacin de la poblacin futura 3.3.1 Mtodo geomtrico 3.3.2 Mtodo aritmtico 3.3.3 Mtodos de comparacin grfica 3.4 Consumo de agua 3.4.1 Factores de consumo 3.4.1.1 Factor de da mximo 3.4.1.2 Factor de hora mximo 3.5 Caudales de diseo 3.5.1 Dotaciones 3.5.2 Caudal medio diario 3.5.3 Caudal mximo diario 3.5.4 Caudal mximo horario 3.6 Presiones mximas y mnimas 3.7 Tipos y clases de tuberas 3.7.1 Tuberas de acero galvanizado 3.7.2 Tuberas de PVC 3.7.3 Uniones 3.7.3.1 Dimetros comerciales de tuberas de PVC en el mercado 3.8 Accesorios

35 36 36 37 41 44 47 48 50 50 51 52 52 53 53 54 54 55 55 59 59

60 62

12

4. LNEAS DE CONDUCCIN

67

4.1 Tipos de lneas de conduccin 4.1.1 Lneas por gravedad 4.1.1.1 Uso de cajas rompe-presin 4.1.1.2 Uso de tuberas de mayor presin de trabajo 4.1.2 Lneas por bombeo 4.1.2.1 Dimetro econmico 4.1.2.2 Carga dinmica total para diferentes tipos de bombas 4.1.2.3 Golpe de ariete 4.2 Obras de arte utilizadas en lneas de conduccin 4.2.1 Caja rompe-presin 4.2.2 Pasos areos y de zanjones 4.2.3 Cajas unificadores de caudal 4.2.4 Cajas distribuidoras de caudal 4.2.5 Cajas para vlvulas

67 71 77

79 80 80

84 88 96 96 97 98 99 100

5. TANQUES DE ALMACENAMIENTO

101

5.1 Forma de los tanques 5.1.1 Ubicacin de los tanques respecto a la rasante 5.2 Nmero de unidades 5.3 Clculo de volmenes de almacenamiento 5.3.1 Volumen compensador 5.3.2 Depsito de succin

103

104 105 106 106 109

13

6. REDES DE DISTRIBUCIN

111

6.1 Tipos de redes 6.2 Consideraciones generales 6.2.1 Determinacin de puntos de consumo 6.2.2 Direccin de los caudales 6.2.3 Clculo de las presiones 6.3 Diseo hidrulico de redes abiertas 6.4 Diseo hidrulico de circuitos 6.4.1 Mtodo de la gradiente hidrulica 6.4.2 Mtodo de Cross 6.4.3 Obras de arte en distribucin

111 113 113 114 115 115 116 116 128 148

7. VLVULAS

149

7.1 Vlvulas de aire 7.2 Vlvulas de limpieza 7.3 Vlvulas de compuerta 7.4 Otras vlvulas 7.4.1 Vlvulas de alivio 7.4.2 Vlvulas de retencin 7.4.3 Vlvulas de globo 7.4.4 Vlvulas de paso 7.4.5 Vlvulas de flotador

149 150 152 153 153 154 154 155 155

14

8 DESINFECCIN

157

8.1 Medio de desinfeccin 8.2 Desinfeccin por medio de cloro 8.3 Tecnologas de cloracin para el abastecimiento rural de agua 8.4 Otras formas de hipocloradores

157 158

161 164

CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFA

165 167 169

15

NDICE DE ILUSTRACIONES

FIGURAS

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Componentes de un sistema de agua Ciclo del agua Aguas de manantiales Captacin de aguas de lluvia Planta y corte de un manantial con brote definido en ladera Captacin de aguas subterrneas Pozos excavados Galeras de infiltracin Pozos perforados Captacin de agua de ro Grfica de crecimiento bacteriano Grfica de crecimiento poblacional exponencial o geomtrico Grfica de ejemplo de proyeccin de poblacin futura por el mtodo geomtrico

11 17 18 24 25 26 27 29 30 33 40 41

44 44 47 50 51 64 71

14 15 16 17 18 20 21

Grfica de crecimiento poblacional por el mtodo aritmtico Grfica de crecimiento poblacional por el mtodo de comparacin Grfica del desvo del caudal promedio diario Grfica del desvo del caudal promedio horario Accesorios de PVC Conduccin por gravedad Grfica para determinar longitudes y dimetros en lneas por conduccin por gravedad

73

22

Esquema de lneas de presin esttica y dinmica en una lnea de

16

conduccin por gravedad 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 Localizacin de caja rompe presin Uso de tuberas de mayor presin de trabajo Lnea de impulsin o lnea de conduccin por bombeo Prdidas de carga a considerar en bomba de eje horizontal Prdidas de carga a considerar en bomba de motor externo Prdidas de carga a considerar en bomba sumergible Planta y corte de caja rompe presin Paso areo Paso de sanjn Planta de caja unificadora de caudales Planta y corte de caja distribuidora de caudales Cajas para vlvulas Seccin de un tanque de distribucin Esquema de un tanque elevado Caudales de entrada y salida al tanque de almacenamiento Esquema de un depsito de succin Caudales de entrada y salida en depsitos de succin Tipos de redes Determinacin de puntos de consumo de redes abiertas Determinacin de puntos de consumo de circuitos cerrados Esquema de red de distribucin Distribucin de caudales en red de distribucin Esquema de distribucin de puntos de consumo y distribucin de caudales 46 47 48 49 50 Presiones en la red de distribucin Presiones finales en la red de distribucin Esquema de flujo y presiones Esquema de los circuitos Distribucin de caudales en red de distribucin

77 78 79 81 85 86 87 96 97 98 98 99 100 103 105 106 109 110 112 113 114 118 119

120 124 127 127 132 133

17

51

Esquema de distribucin de puntos de consumo y distribucin de caudales 137 144 145 145 146 147 150 150 151 151 152 153 154 154 155 155 162 163 164

52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69

Esquema de prdidas de carga y de presiones del circuito I Esquema de prdidas de carga y de presiones del circuito II Esquema de prdidas de carga y de presiones del circuito III Esquema de prdidas de carga y de presiones del circuito IV Esquema de flujo y presiones en la red Ubicacin de vlvulas de aire Seccin de vlvulas de aire Ubicacin de vlvula de limpieza Ubicacin en planta de vlvula de limpieza Seccin de vlvula de compuerta Seccin de vlvula de alivio Seccin de vlvula de retencin Seccin de vlvula de globo Seccin de vlvula de paso Seccin de vlvula de flotador Planta de una caseta de cloracin Corte longitudinal de una caseta de cloracin Dosificador por orificio flotante

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TABLAS

I II III IV V VI VII

Parmetros fsicos del agua Parmetros qumicos del agua Valores comunes de n Valores comunes de C Vida til de algunos materiales Dotaciones indicadas en las normas de diseo Dimensiones, pesos nominales y presiones de prueba para tubera de acero galvanizado peso estndar

9 10 14 15 36 52

57

VIII

Dimensiones, pesos nominales y presiones de prueba para tubera de acero galvanizado extra fuerte 58 60 60 61 62 63 84 89 91 107 107 131 141 142 160

IX X XI XII XIII XIV XV XVI

Dimetros comerciales de tuberas PVC Tubera de PVC 1120 ASTM D 2241 SDR 32.5 Tubera de PVC 1120 ASTM D 2241 SDR 26 Tubera de PVC 1120 ASTM D 2241 SDR 17 Uso de accesorios de PVC Rendimiento de combustibles Valores de mdulo de elasticidad volumtrica de materiales Costos por tubos de PVC, clases 160, junta rpida

XVII Ejemplo de procentajes de consumo XVIII Ejemplo de clculo de volmen compensador XIX XX XXI Datos requeridos para la aplicacin del mtodo de Cross Aplicacin del mtodo de Cross, primera iteracin Mtodo de Cross, segunda iteracin

XXII Hipoclorito necesario para preparar solucin al 0.1 %

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RESUMEN

El presente trabajo de graduacin pretende ser una gua de desarrollo del curso de Ingeniera Sanitaria 1, el cual en la facultad de Ingeniera de la Universidad de San Carlos de Guatemala, abarca los conceptos bsicos para el diseo de sistemas de introduccin de agua potable en las comunidades del pas.

En el primer captulo se presentan las diferentes definiciones y conceptos sobre el agua potable y de cmo determinar su calidad, de los componentes de un sistema de abastecimiento de agua, de las principales frmulas hidrulicas utilizadas en e diseo, as como las diferentes normas que rigen en las instituciones encargadas de dotar de agua a las poblaciones del pas.

En el captulo dos se presentan los diferentes tipos de fuentes de agua, como son: manantiales, ros, lagos, aguas de lluvia y aguas subterrneas que se utilizan para abastecer a las poblaciones, adems, se indican los mtodos ms utilizados para realizar el aforo de dichas fuentes, es decir, la determinacin de caudales que son los volmenes por unidad de tiempo. Dentro de stos se indican el aforo volumtrico, el aforo por flotadores y el aforo de pozos perforados. Asimismo, se presentan en que consisten las obras de captacin para los diferentes tipos de fuentes, siendo stas captacin de aguas de lluvia; de manantiales; de aguas subterrneas; dentro de las que se encuentran los pozos excavados, pozos hincados, galeras de infiltracin y pozos perforados o mecnicos; captaciones de aguas en ros; y en lagos.

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El captulo tres incluye los parmetros utilizados para el diseo de sistemas de abastecimientos de agua, los cuales incluyen recomendaciones acerca del levantamiento topogrfico; de la fijacin del perodo de diseo; de los diferentes mtodos para la estimacin de poblaciones futuras; de las dotaciones de agua a utilizar; de la determinacin de los consumos de agua; del clculo de los diferentes caudales utilizados en el diseo de acueductos; de las presiones mximas y mnimas que deben existir en los acueductos as como del tipo y clases, es decir, de las presiones de trabajo a las que trabaja las diferentes clases de tubera.

El captulo cuatro se refiere al diseo de lneas de conduccin, en el cual se indican los diferentes tipos que existen para conducir el agua desde la captacin hasta la planta de tratamiento o hasta los tanques de almacenamiento siendo stas conducciones libres y forzadas, dentro de las forzadas se presentan las lneas por gravedad, en las que se indican los casos en que es necesario utilizar cajas rompe presin y de tuberas de mayor presin; en el caso de las lneas por bombeo, se presenta el anlisis econmico de menor costo para definir el dimetro econmico y adems se muestra el clculo para determinar si la tubera es capaz de absorber las sobre presiones causadas por el golpe de ariete. Y por ltimo se indican las obras de arte ms comnmente utilizadas en las lneas de conduccin, siendo stas cajas rompe-presin, pasos areos y de zanjones, cajas unificadoras de caudal, cajas distribuidoras de caudal y cajas para vlvulas.

El captulo cinco se refiere a los tanques de almacenamiento, el cual incluye la forma y nmero de dichos tanques, as como el clculo de los volmenes necesarios para compensar los caudales en las horas de mximos consumos.

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El captulo seis describe la forma de cmo realizar la distribucin del agua, es decir, llevar el agua hasta el consumidor final, aqu se presentan los diferentes tipos de redes; los parmetros para el diseo hidrulico de redes abiertas; y de circuitos cerrados, en donde se incluyen los mtodos de la gradiente hidrulica y el mtodo de Cross; as como el clculo de presiones en la red y el esquema de flujos e iguales presiones. Por ltimo dicho captulo incluye las obras de arte utilizadas en distribucin.

El captulo siete se refiere a las vlvulas comnmente utilizadas en el diseo de sistemas de abastecimiento de agua, siendo stas vlvulas de aire, de limpieza, de compuertas, de alivio, de retencin, de globo, de paso y vlvulas de flotador.

El captulo nmero ocho se refiere a lo que es la desinfeccin del agua, posiblemente la parte medular de cualquier sistema de abastecimiento, ya que mediante dicha desinfeccin se previenen las enfermedades trasmitidas por el agua, indicndose los diferentes mtodos para desinfectar el agua, con nfasis en la utilizacin del cloro como el mtodo ms eficaz y econmico para lograr dicha desinfeccin.

Por ltimo, se presentan las conclusiones y recomendaciones que dicho trabajo de graduacin presentan para la mejor operacin y mantenimiento demandan para el funcionamiento de los acueductos que se diseen para el pas.

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OBJETIVOS

GENERAL

Proporcionar al estudiante de Ingeniera Civil bibliografa adaptada al medio guatemalteco, sobre los diferentes temas del curso de Ingeniera Sanitaria I.

ESPECFICOS

1. Aportar un trabajo que contribuya con la formacin del futuro Ingeniero Civil.

2. Presentar la forma de utilizacin de las frmulas hidrulicas utilizadas en el diseo de lneas de conduccin y redes de distribucin de proyectos de abastecimiento de agua.

3. Presentar la forma de efectuar un anlisis econmico, para determinar el dimetro econmico en lneas de bombeo.

4. Presentar dos mtodos para el anlisis y diseo de redes de distribucin a travs de circuitos cerrados.

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INTRODUCCIN

La carencia de agua potable afecta directamente a la salud de cualquier persona y es causa de la mayora de las enfermedades gastrointestinales, las que en Guatemala tienen la mayor tasa de morbilidad y mortalidad, afectando especialmente a la poblacin infantil.

En Guatemala la cobertura, en lo que a agua potable se refiere, es sumamente baja, aproximadamente el setenta por ciento de las poblaciones asentadas en el rea urbana disponen de dicho servicio y menos del cuarenta por ciento del rea rural cuentan con el mismo, de manera que el campo de accin del Ingeniero Civil en dicha rama es muy amplio y adems necesario para coadyuvar al desarrollo socio econmico de las poblaciones ms desposedas y necesitadas de los servicios bsicos.

Por otra parte, la mayor cantidad de bibliografa referente a este tema ha sido desarrollada en otros pases, de manera que, los criterios utilizados para el diseo de sistemas de abastecimiento de agua difieren de la realidad de Guatemala. Por lo tanto, se considera necesario y de gran ayuda para los estudiantes de Ingeniera Civil disponer del material bibliogrfico que permita comprender de mejor manera los temas que se imparten en el curso de Ingeniera Sanitaria 1.

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En el presente trabajo de graduacin se presenta un compendio de las normas bsicas, para el diseo de proyectos de abastecimiento de agua. Este trabajo persigue proporcionar los lineamientos bsicos para que el estudiante de la carrera de Ingeniera Civil aplique las condiciones fundamentales para proporcionar a las poblaciones agua, es decir: en la cantidad necesaria; con la calidad adecuada; y con la garanta de un servicio permane nte, en relacin con la duracin de las instalaciones y el monto de las inversiones

Debe entenderse que el trabajo presente de graduacin es una gua para ampliar la bibliografa sobre el abastecimiento de agua, pero no exime al futuro profesional de la Ingeniera Civil, ni de su ingenio, ni de su responsabilidad, en la concepcin del proyecto, ni de la facultad de aplicar su criterio para obtener mejores logros de su trabajo.

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1. DEFINICIN Y CONCEPTOS

1.1 Agua potable

Es agua sanitariamente segura y agradable a los sentidos. Cuando se refiere a agua sanitariamente segura significa que es incapaz de transmitir enfermedades, libre de concentraciones excesivas de substancias minerales y orgnicas y libres de sustancias txicas. Agradable a los sentidos significa que debe ser incoloro, inodoro y de sabor agradable. El agua potable es un concepto universal y nico, ya que es potable o no.

Para que el agua sea potable debe cumplir con lo indicado en la norma COGUANOR NGO 29001.

Lmite mximo aceptable (LMA) Es el valor de la concentracin de cualquier caracterstica del agua, arriba del

cual el agua pasa a ser rechazable por los consumidores, desde un punto de vista sensorial pero sin que implique un dao a la salud del consumidor.

Lmite mximo permisible (LMP) Es el valor de la concentracin de cualquier caracterstica de calidad del agua,

arriba del cual, el agua no es adecuada para el consumo humano

27

Caractersticas fsicas Son aquellas caractersticas relativas a su comportamiento fsico, que

determinan su calidad.

Caractersticas qumicas Son aquellas caractersticas relativas a sustancias contenidas en ella, que

determinan su calidad.

Caractersticas bacteriolgicas Son aquellas caractersticas relativas a la presencia de bacterias, que

determinan su calidad.

Grupo coniforme total Son bacterias en forma de bacilos, aerobios y anaerobios facultativos, Gram

negativos, no esporulados que fermentan la lactosa con produccin de cido y de gas a 35 o C 0.5 o C en un perodo de 24 a 48 horas, caractersticas cuando se

investigan por el mtodo de los tubos mltiples de fermentacin. Para el caso de la determinacin del grupo coniforme total empleando el mtodo de membrana de filtracin, se definir como todos los microorganismos que desarrollen una colonia rojiza con brillo metlico dorado en un medio tipo endo (u otro medio de cultivo reconocido internacionalmente) despus de una incubacin de 24 horas a 35 o C.

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Grupo coniforme fecal Son las bacteria s que forman parte del grupo coliforme total, que fermentan la

lactosa con produccin de gas a 44 o C 0.2 0C, en un perodo de 24 horas, cuando se investigan por el mtodo de tubos mltiples de fermentacin. En el mtodo de filtracin en membrana se utilizan un medio de lactosa enriquecido y una temperatura de incubacin de 44.5 o C 0.2 o C en un perodo de 24 horas. Al grupo coniforme fecal tambin se le designa como termotolerante o termorresistente.

1.2 Determinacin de la calidad del agua

1.2.1 Muestras de agua

Cuando se lleva a cabo el anlisis de la calidad del agua hay que tomar en cuenta que se pueden realizar dos tipos: 1. Para efectos de monitoreo de sistemas en operacin. 2. Para proyectos nuevos.

Con el fin de conocer las condiciones de las caractersticas fsicas, qumicas y bacteriolgicas de la fuente de agua propuesta para el abastecimiento de agua a una poblacin, deben tomarse muestras en un mnimo de dos, una en la poca seca y otra en la lluviosa para realizar los ensayos respectivos. En todo caso, el nmero de muestras deber ser representativo de la calidad del agua, a criterio de la entidad responsable.

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Las muestras de agua para efectuar los anlisis debern ser tomadas de acuerdo con la tcnica que se recomienda para cada caso y entregadas en los laboratorios, de preferencia dentro de las 24 horas siguientes a las que se hayan sido tomadas.

Si los resultados del laboratorio determinan que el agua no cumple con los requisitos establecidos en las normas, deber tomarse inmediatamente otra muestra de comprobacin o la requerida para un anlisis especial.

1.2.2 Examen bacteriolgico

Mediante el examen bacteriolgico es posible determinar la presencia del grupo coliforme total, representado por la Escherichia Coli, la cual es una bacteria que no es patgena pero se encuentra presente en los intestinos de los seres vivos.

Las muestras para anlisis bacteriolgicos se tomarn en envases adecuados, esterilizados, de boca ancha y tapn hermtico esmerilado, cuya capacidad mnima debe de ser de 100 mililitros.

30

Para realizar la toma de muestras para un examen bacteriolgico, hay que seguir los siguientes pasos:

a) Abrir el frasco esterilizado mediante la tcnica clsica, desamarrar el cordn que ajusta la cubierta protectora de papel de estraza y halar hacia afuera el tapn.

b) Llenar el frasco y sostenerlo de la parte inferior y sumergirlo hasta una profundidad de aproximadamente 20 cm. con la boca ligeramente hacia arriba; si existe corriente la boca del frasco debe orientarse hacia la corriente.

c) Se debe dejar un pequeo espacio de aire para facilitar la agitacin en el momento de inoculacin antes del anlisis.

d) Colocar el tapn al frasco y fijar la cubierta protectora de papel en su lugar mediante un cordn.

e) Llenar la etiqueta y adherirla al frasco.

El transporte de los envases de las muestras para el anlisis bacteriolgico debe hacerse dentro de recipientes en condiciones de refrigeracin (con hielo).

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El examen se efecta en dos etapas de cultivo que son: Prueba presuntiva. Prueba confirmativa.

Prueba presuntiva.

Consiste bsicamente en sembrar volmenes apropiados de la muestra de agua en tubos con un medio cultivo de caldo lactosado y observar si se produce gas despus de un perodo de incubacin de 24 a 48 horas a 35 o C. La ausencia de gas despus de 48 horas es prueba de que no existen bacterias coliformes en la muestra analizada y constituye una prueba negativa. La presencia de gas en los tubos de caldo lactosado constituye una prueba positiva pero no necesariamente confirma la presencia de alguna bacteria, ya que existe la posibilidad de que la formacin de gas se deba a otro tipo de microorganismos que no constituyen ndices de polucin. Por esta razn es necesario realizar la prueba confirmativa.

Prueba confirmativa.

Consiste bsicamente en inocular todos los tubos que den un resultado positivo en la prueba presuntiva, en un medio de cultivo adecuado que depende del grupo coliforme a investigar. Al igual que la prueba presuntiva, la ausencia de gas despus del perodo de la incubacin constituye una prueba negativa y la presencia de gas, una prueba positiva con la diferencia que al ser positiva la prueba, confirma la presencia del grupo coliforme que se haya investigado fecal, total o ambas.

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1.2.3 Anlisis fsico-qumico

1.2.3.1 Anlisis fsico

Este anlisis determina las caractersticas fsicas del agua las cuales son percibidas a travs de los sentidos por medio del olor, color, sabor, el potencial hidrgeno, que determina la acidez o alcalinidad del agua; y la turbidez que es el efecto ptico que es consecuencia de la dispersin o interferencias de los rayos luminosos que pasan a travs del agua, la que contiene pequeas partculas en suspensin.

1.2.3.2 Anlisis qumico

Este anlisis es de gran importancia, ya que permite determinar las cantidades de materia mineral y orgnica que se encuentran en el agua, que pueden afectar su calidad, proporciona datos acerca de su contaminacin y tambin puede mostrar variaciones ocasionadas por el tratamiento, lo cual es indispensable para controlar el proceso de purificacin del agua.

Las sustancias minerales qumicas contenidas en el agua deben encontrarse en concentraciones inferiores a ciertos lmites permisibles y aceptables, de los contrario pueden afectar la salud, le dan mal olor y sabor al agua y adems daan la tubera y equipo, entre las sustancias a determinar se tienen: la alcalinidad, la dureza, los aniones (hierro, calcio, magnesio, etc.) y los cationes (cloruro, fluor, nitritos, sulfatos, etc.)

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1.2.3.2.1 Dureza

Es una caracterstica del agua, debida principalmente a su contenido en carbonatos, sulfatos y ocasionalmente nitratos y cloruros de calcio, magnesio y hierro.

Las aguas duras son menos corrosivas que las blandas que contienen compuestos de calcio y magnesio en bajas concentraciones. El agua para uso domstico y lavado de ropa debe contener menos de 50 mg/lts. de dureza, el agua con dureza de 300 mg/lts. o ms no es apropiada para el uso ordinario.

1.2.3.2.2 Alcalinida d

Es una medida de los constituyentes bsicos del agua, si todas las sustancias bases alcalinas estn presentes como sales de calcio y magnesio, la alcalinidad ser igual a la dureza. Si la alcalinidad es mayor que la dureza, significa que hay otras sales bsicas como sodio o potasio.

1.2.3.2.3 Cloro residual

El cloro al agregarlo con el agua reaccionar como una sustancia orgnica y otra que destruye su poder desinfectante.

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El poder desinfectante del cloro depende de la forma en que est presente el cloro residual y el tiempo de contacto, de la temperatura y del pH del agua. Si el pH es menor de 8.0 un cloro residual de 0.3 mg/lts. destruir bacterias en un perodo de 10 minutos.

Las muestras para anlisis fsico-qumicos se tomarn en recipientes perfectamente limpios y adecuados, preferiblemente de plstico, cuya capacidad mnima debe ser aproximadamente 4 litros, (1 galn), el cual se sumerge en contra de la corriente y se llena. Se tapa y se enjuaga y se devuelve a la fuente. Este procedimiento se hace tres veces, la cuarta vez se realiza el mismo procedimiento pero no se devuelve el agua, se etiqueta el galn y se lleva al laboratorio para realizar las pruebas correspondientes. Para el transporte la muestra no necesita refrigerarse.

En el laboratorio se identifican las propiedades fsicas y qumicas del agua. A continuacin se muestran las tablas I y II donde se muestran las caractersticas fsicas y qumicas del agua mostrando los lmites mximos y lmites permisibles del agua.

Tabla I. Parmetros fsicos del aguaCARACTERSTICAS FSICAS LMITE MXIMO ADMISIBLE (LMA) Color Olor Ph Slidos totales Temperatura Sabor Turbiedad 5.0 unidades No rechazable 7 8.5 500 mg/l 10 a 30 grados Celsius No rechazable 5.0 utn 50 unidades No rechazable 6.5 9.2 1500 mg/l No mayor que 34 grados Celsius No rechazable 25.0 utn LMITE MXIMO PERMIS IBLE (LMP)

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Tabla II. Parmetros qumicos del agua CARACTERSTICAS QUMICAS Cloro residual libre Cloruro (Cl) Conductividad Dureza total (CaCO3 ) Potencial de hidrgeno Slidos totales disueltos Sulfato (SO4 ) Temperatura Aluminio (Al) Calcio (Ca) Zinc (Zn) Cobre (Cu) Magnesio (Mg) LMITE MXIMO ADMISIBLE (LMA) 0.5 mg/L 100.00 mg/L -----100.00 mg/l 7.0 7.5 500.00 mg/L 100.00 mg/L 15 a 25 grados Celsius 0.050 mg/L 75.00 mg/L 3.00 mg/L 0.050 mg/L 50.00 mg/L LMITE MXIMO PERMISIBLE (LMP) 1.0 mg/L 250.00 mg/L Menor de 1500 uS/cm 500.00 mg/l 6.5 8.5 1000.00 mg/L 250.00 mg/L 34 grados Celsius 0.100 mg/L 150.00 mg/L 70.00 mg 1.500 mg/L 100.00 mg/L

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1.3 Componentes de un sistema de agua

Figura 1. Componentes de un sistema de agua

(a) Captacin Son las obras que permiten captar el agua de la fuente a utilizar.

(b) Conduccin Son las obras que conducen el agua desde la captacin hacia la planta de tratamiento o hacia el tanque de almacenamiento.

(c) Planta de tratamiento Son las estructuras en las que se realizan los procesos para potabilizar el agua.

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(d) Almacenamiento Son los tanques que se utilizan para almacenar agua para suplir la demanda en las horas de mximo consumo.

(e) Distribucin Comprende las lneas y redes para llevar el agua hasta el consumidor.

1.4 Frmulas hidrulicas usadas en el diseo de abastecimiento de agua

1.4.2 Ley de Darcy

En primera instancia, se debe recordar algunos de los conceptos fundamentales del flujo a travs de medios porosos:

La ecuacin de continuidad establece que la descarga especfica o flujo a travs de un cilindro es: v = Q/A siendo Q el caudal y A el rea transversal del cilindro.

Experimentos realizados por Darcy establecen que la velocidad de flujo a travs de un medio poroso, v, es proporcional a la diferencia de presiones entre dos secciones de un volumen de control y a la longitud entre ellas.

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Se tiene entonces: v=k* ? h ?l en donde: h = cabeza hidrulica (L).

?h/? l = gradiente hidrulico o prdidas de energa por unidad de longitud = i. K = conductividad hidrulica (L/T).

La conductividad hidrulica, K, se encuentra en algunos textos como el coeficiente de permeabilidad.

En otras palabras, la ecuacin de Darcy es: Q = K*i*A

1.4.3 Frmula de Manning

Tradicionalmente, la ecuacin de diseo para conductos con flujo libre (a la presin atmosfrica) ha sido la ecuacin de Manning:

Q = 1(A* R2/3 * S1/2 ) n

en donde:

Q = caudal. A = rea de la seccin de flujo. R = radio hidrulico (rea/permetro mojado (m)). S = pendiente de la tubera (adimensional). n = coeficiente de rugosidad de Manning (ver tabla III).

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Tabla III. Valore s comunes de n

Asbesto de cemento Concreto ordinario Concreto bien acabado Concreto alisado Ladrillo Plstico

0.010 A 0.012 0.014 a 0.016 0.013 a 0.014 0.011 a 0.012 0.014 a 0.016 0.009 a 0.010

1.4.4 Frmula de Hazen & Williams

Una de las frmulas ms empleadas para el clculo hidrulico de tuberas forzadas es la de Hazen & Williams. Esta es una frmula emprica resultante del anlisis estadstico de una gran cantidad de datos experimentales. Es aplicada satisfactoriamente para cualquier material entre 0.05m y 3.50m de dimetro y es vlida nicamente para agua. Su formulacin es la siguiente: hf = 1743.811 * L * Q1.85 C1.85 * D4.87

en donde:

Q = caudal (l/s). L = longitud de la tubera (m). C = coeficiente de friccin (ver tabla 4). D = dimetro de la tubera (pulg.). hf = prdida de carga (m).

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Tabla IV. Valores comunes de C

MATERIAL Acero o hierro galvanizado Hierro fundido Asbesto o cemento Plstico

C 100 100 100 150

1.5 Normas para el diseo de un sistema de abastecimiento de agua

Cuando se requiere consultar las normas para el diseo de acueductos en el rea urbana, hay que acudir al Instituto de Fomento Municipal (INFOM); en el rea rural, a la Unidad Ejecutora del Programa de Acueductos Rurales (UNEPAR); y en la ciudad capital a la Empresa Municipal de Agua (EMPAGUA).

Las normas de diseo proporcionan rangos de valores a ser utilizados cuando no se dispone de informacin para el diseo de sistemas de abastecimiento de agua, es decir, indican algunos parmetros, pero en todo caso es el criterio del diseador el que debe prevalecer.

41

42

2. TIPOS DE FUENTES DE AGUA Y CAPTACIONES

2.1 Tipos de fuentes

Las aguas de las fuentes de abastecimiento pueden ser de dos orgenes, aguas subterrneas y de origen superficial.

Las fuentes de abastecimiento de origen subterrneo estn constituidas por los acuferos. Las fuentes de origen superficial son los ros, los lagos y el agua de lluvia.

Figura 2. Ciclo del agua

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P Q I

= precipitacin = escurrimiento = infiltracin

Q sub. = escurrimiento sub-superficial Q subt. = escurrimiento subterrneo

EVT = evapotranspiracin

La circulacin del agua en sus diferentes formas alrededor del mundo se conoce como el ciclo del agua. En el ciclo hidrolgico, el agua se evapora de la superficie terrestre y de los cuerpos de agua, debido a la radiacin solar. sta luego regresa a la tierra en forma de lluvia, nieve o granizo, es decir, en forma de precipitacin; de la cual, una parte se evapora; otra es transpirada por la vegetacin; otra parte se infiltra, hasta alimentar la napa fretica, la que constituye el agua subterrnea; y otra parte escurre superficialmente a travs de los ros, hasta desembocar en un cuerpo de agua, en donde de nuevo se evapora, constituyndose en un ciclo.

2.1.1. Aguas de manantiales

El tipo de fuente ms recomendada es la de los manantiales, sta puede estar ubicada en una quebrada de un terreno y se obtiene al momento de que el agua brota del suelo. Figura 3. Aguas de mana ntiales

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2.1.2 Ros

El agua proveniente de los ros generalmente es de muy baja calidad, ya que se contamina con el agua superficial que naturalmente corre hacia ellos, ya que stas arrastran toda clase de desechos que se encuentran superficialmente, tiene turbiedad y algunas veces color, es por ello que si se quiere captar dicha agua, es necesario un tratamiento de potabilizacin.

Hay ros que no necesariamente estn contaminados, stos son los que nacen en las montaas. Para este caso, las cuencas no tienen posibilidad de contaminarse con desechos de personas y animales.

2.1.3 Lagos

Una de las fuentes ms contaminadas en Guatemala es la de los lagos, ya que a ellos van a desembocar la mayora de los ros, de manera que su utilizacin no es recomendable, a menos que se incluya tratamiento para potabilizar el agua.

2.1.4. Aguas de lluvia

El agua de lluvia como fuente es muy importante, esto es debido a que se puede tener una gran cantidad de agua al momento que llueva, adems que es muy difcil que el agua de lluvia est contaminada, aunque esto ltimo puede suceder, sobre todo en los primeros aguaceros.

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2.1.5 Aguas subterrneas

El agua subterrnea es un recurso muy bueno en cuanto a la calidad del agua se refiere, ya que sta es muy difcil que est contaminada.

2.2 Aforos

El aforo es la operacin para medir un caudal, es decir, el volumen de agua por unidad de tiempo y ste se mide en Lts/seg.

2.2.1 Mtodos de aforo ms utilizados en abastecimiento de agua

El aforo de las fuentes de agua se debe practicar en la poca de estiaje, con el objetivo de asegurar que el caudal mnimo de la fuente es capaz de suplir la demanda de agua de la poblacin.

2.2.1.1 Aforo volumtrico

Consiste en determinar el tiempo que toma en llenarse un recipiente de volumen determinado. Este mtodo se utiliza para aforar pequeos manantiales o brotes de agua. Q = volumen t1 t0

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t1 = tiempo cuando el recipiente est lleno. t0 = tiempo cuando se pone el recipiente.

2.2.1.2 Aforos utilizando flotadores

El mtodo de aforo por medio del flotador se usa cuando se va ha aforar un ro que no sea muy turbulento ni caudaloso. Para poder realizarlo hay que seguir los siguientes pasos: a) Ubicar un tramo recto del ro en donde no exista turbulencia.

b)

Ubicar marcas iniciales y finales en donde se realizar el aforo y medir la distancia del tramo.

c)

Unos metros antes de la marca inicial, hay que soltar el flotador tratando de que ste est a la mitad de la seccin transversal del ro.

d) Cuando el flotador pase por la marca inicial, accionar el cronmetro y cuando pase por la marca final, parar el cronmetro.

e) Medir la seccin transversal del ro.

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f) Calcular el rea de la seccin transversal (A).

g) Determinar la velocidad del ro. velocidad = distancia/tiempo.

h) Por ltimo calcular el caudal.

Q = velocidad * rea.

2.2.1.3 Aforo de pozos perforados

El procedimiento que se usa para aforar un pozo es el de instalar una bomba de prueba, luego hay que construir un drenaje en el rea para que el agua pueda correr sin ningn problema. Despus de ello hay que empezar a medir el caudal y la profundidad del pozo, esta actividad hay que realizarla simultneamente. Este procedimiento hay que realizarlo durante 24 a 48 horas continuas.

El caudal de prueba que se busca en un pozo puede oscilar entre un 10 a un 15 % del caudal de bombeo y la bomba de prueba debe de colocarse a una profundidad que resulte muy econmica para el bombeo.

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Hay dos formas de medir las profundidades de los pozos:

Sonda elctrica: esta medida es la ms eficiente de usar, ya que esta sonda tiene un electrodo por cada pie o por cada metro y est conectada a un ampermetro. Al introducir la sonda al pozo y el electrodo haga contacto con el agua el ampermetro medir la corriente en ese nivel.

Cinta enyesada: para esto se necesita enyesar toda la cinta mtrica y al momento de introducirla al pozo y sacarla se puede observar hasta donde se humedeci el yeso.

El abatimiento de un pozo es la diferencia de altura entre el nivel esttico y el nivel dinmico. Una caracterstica muy importante sobre el abatimiento es que a mayores caudales menores abatimientos y por ende el pozo es excelente para bombear agua.

2.3 Obras de captacin

La captacin consiste en recolectar y almacenar agua proveniente de diversas fuentes para su uso benfico.

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2.3.1 Captacin de agua de lluvia

En general este tipo de fuente es utilizada para soluciones unifamiliares y en regiones donde la pluviosidad es alta. Consiste en captar el agua de techos y conducirla a un tanque.

Figura 4. Captacin de aguas de lluvia

2.3.2 Captacin de agua de manantial

Las captaciones de agua provenientes de manantiales se disearn de tal manera que se garantice el libre flujo del agua hacia un tanque de recoleccin. El tanque o caja de recoleccin ser construido de material impermeable y de tal manera que de completa proteccin sanitaria. Adems de ello, se colocar una cuneta para evitar que entre el agua de lluvia. Tambin se proteger con un cerco para evitar que las personas y animales puedan ingresar. A continuacin, se muestra un tipo de captacin de agua de manantial:

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Figura 5. Planta y corte de un manantial con brote definido en ladera.

Corte A- A

Planta

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2.3.3 Captaciones de aguas subterrneas

Se puede obtener mediante la excavacin o perforacin de pozos, pero la desventaja que se puede encontrar en este tipo de fuente es que se necesita bombear el agua, por ende el valor de la extraccin ser alto.

Figura 6. Captacin de aguas subterrneas

2.3.3.1 Pozos excavados

Los pozos excavados se realizan manualmente y son probablemente el tipo de captacin ms antigua. Los pozos excavados deben llenar ciertas condiciones para su captacin: Deben ubicarse en zonas no inundables o de fcil acceso para el agua superficial.

Protegerse contra riesgos de contaminacin.

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Excavarse aguas arriba de cualquier fuente real o potencial de contaminacin.

El subsuelo del sitio s eleccionado no presente grietas, fallas o socavaciones que permitan el paso del agua superficial que pueda contaminar el acufero.

El rea de captacin debe acondicionarse con piedras.

Figura 7. Pozos excavados

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2.3.3.2 Pozos hincados

Los pozos hincados se realizan mediante percusin, eso quiere decir que se clava una punta. Este tipo de pozo es adecuando para terrenos arenosos, como por ejemplo en la bocacosta. La profundidad de estos pozos no debe ser muy profunda. La bomba de succin, se coloca dentro del entubado.

2.3.3.3 Galeras de infiltracin

Son conductos horizontales con cierta pendiente, construidos para interceptar y recolectar agua subterrnea que fluye por gravedad. Generalmente se ubican paralelas a los lechos de los ros para asegurar una recarga permanente. Se construyen con tubera de dimetro tal que garantice la capacidad que se requiere. Tendrn perforaciones convenientemente y estarn recubiertas con material adecuadamente graduado, tomando en cuenta la granulometra del material del acufero y de las caractersticas del agua. Generalmente se coloca sobre el tubo colector 20 cms de grava de , 15 cms de grava fina y 15 cms de arena gruesa lavada. Como medio de proteccin sanitaria se le colocar una capa impermeable y drenajes laterales en la superficie.

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Para fines de limpieza, inspeccin y desinfeccin, se disearn las cajas correspondientes. El agua deber recolectarse en un depsito que est cubierto.

Figura 8. Galeras de infiltracin

2.3.3.4 Pozos perforados o mecnicos

Al igual que los pozos excavados a mano, hay que tomar en cuenta varios caractersticas en los pozos mecnicos:

Ubicarse en zonas no inundables y de fcil acceso para el agua superficial.

Protegerse contra riesgos de contaminacin.

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Terminada la perforacin y despus de entubar el pozo debe limpiarse y desarrollarse para sacar los residuos de perforacin.

La produccin efectiva del los pozos deber estimarse con base en la prueba de produccin de bombeo continuo, midiendo el caudal y el abatimiento del nivel fretico.

En las zonas adyacentes al acufero se colocarn rejillas previamente diseadas de acuerdo a la granulometra del mismo, de tal modo que impidan el paso de arenas que puedan daar los equipos de bombeo y obstruir el pozo.

Figura 9. Pozos perforados

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La rejilla puede ser prefabricada (acero inoxidable, plstico, latn rojo) o de fabricacin propia, hecha por el diseador del pozo (tubo ranurado con soplete de acetileno). La rejilla prefabricada tiene como caracterstica que sus aberturas son ms grandes, es por eso que las prdidas de carga son menores ya que el agua fluye lentamente. La rejilla prefabricada es mejor que la ranurada, pero tiene como desventaja que es mucho ms cara.

El entubado del pozo, es decir, el ademe es de acero negro (con copla roscada o con unin roscada) o de plstico.

El sello sanitario se realiza con concreto hecho en obra o con concreto premezclado y debe colocarse entre los primeros 3 a 5 metros del pozo.

El empaque de grava debe tener ms o menos 3 de espesor y ste se debe colocar principalmente en suelos muy flojos, en donde se han observado derrumbes. El empaque de grava se coloca a lo largo de toda la rejilla, y ste acta como un filtro.

El material de relleno que se utiliza para el pozo es de tierra normal.

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Pruebas de pozos perforados

Alineamiento Esta prueba se realiza para observar si hay un eje nico en el pozo. Dicha prueba se realiza introduciendo en el pozo un tubo de 20 pies y de dimetro exterior igual al que tendr la bomba. Si ste baja sin ningn tropiezo, quiere decir que est bien alineado.

Verticalidad Esta prueba se realiza para observar si coincide el eje con el trazo de la vertical. Se comprueba con una plomada. El lmite que se busca es de 2/3 del dimetro interior por cada 30 metros de profundidad.

Desarrollo del pozo Consiste en someter al pozo a un primer bombeo, con el fin de acondicionar el material fino del acufero en la proximidad del pozo. Se hace la primera extraccin de agua del pozo de manera muy violenta, o bien a travs de un pistn.

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2.3.4 Captacin de aguas superficiales

2.3.4.1 Ros

La captacin de un ro se puede hacer mediante la construccin de una presa de derivacin, la cual sirve para elevar el nivel del agua, lo que permite la construccin de las obras de toma.

Otra forma de captar el agua de un ro sera por bombeo, mediante una instalacin semejante a la mostrada a continuacin:

Figura 10. Captacin de agua de ro

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2.3.4.2 Lagos

En la captacin del agua de un lago debe tomarse en cuenta la localizacin de las posibles fuentes que puedan contaminar el lago, los vientos fuertes, las corrientes superficiales y si hay algn paso de embarcaciones; de preferencia la toma debe ubicarse a cierta profundidad para mejorar la calidad del agua captada.

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3. PARAMETROS DE DISEO

3.1 Levantamiento topogrfico

Se efectuar el levantamiento topogrfico de las lneas que unan las fuentes de abastecimiento de agua con las poblaciones beneficiadas. En el levantamiento topogrfico deben localizarse detalles importantes como los son los estructuras ya existentes, pasos de ros, quebradas y zanjones. Tambin deben trazarse las lneas principales y los ramales secundarios que se usarn para instalar la tubera que distribuir el agua a las viviendas y edificios pblicos. Previamente al inicio de los trabajos de topografa, es necesario tener la certeza que se tendr el permiso de colocar la tubera en el lugar, es decir, contar con el derecho de paso.

Dependiendo del tamao, tipo del proyecto, cantidad de habitantes a beneficiar, caractersticas del terreno, equipo a utilizar y los errores permisibles, el levantamiento topogrfico puede ser de primer, segundo y tercer orden y ste se determinar en el estudio de prefactibilidad.

En el levantamiento topogrfico se puede usar la nivelacin taquimtrica, siempre que el terreno no sea plano, ya que en este caso es preferible utilizar un nivel de precisin.

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En una sistema de abastecimiento de agua, es importante que se tome en cuenta a toda la poblacin que se beneficiar, para ello es necesario que al momento de realizar la topografa se hagan radiaciones a todas las casas o e dificios que se conectarn en la red de distribucin. Una de las ventajas de realizar estas radiaciones, es que el topgrafo puede realizar el censo al mismo tiempo, para determinar

cuntas personas viven en cada edificacin.

3.2 Perodo de diseo

Perodo de diseo es el tiempo durante el cual una obra va a prestar un servicio satisfactorio y se empieza a contar desde el momento en que entra en servicio la obra. Para fijarlo se tomaran en cuenta varios factores que influyen en el perodo de diseo.

3.2.1 Factores influyentes en el perodo de diseo

Los factores que intervienen en la seleccin del perodo de diseo son: 1. Vida til de los materiales y equipos. A continuacin se presentan ejemplos respecto de la vida til de algunos de stos.

Tabla V. Vida til de algunos materialesMATERIAL Tubera PVC Vlvulas Equipos de bombeo VIDA TIL (APROXIMADA) Ms de 30 aos Depende del uso y del mantenimiento 10 aos o menos

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2. La poblacin de diseo o la poblacin a servir, la cual podr predecirse o estimarse a perodos muy cortos.

3. Facilidad de ampliacin, es una de las formas de alargar la vida de las obras. Las facilidades de ampliacin vienen a ser el toque de vida que le podra dar el ingeniero a las obras que est diseando.

4. Comportamiento en los primeros aos de la obra.

5. Costo de conexin y tasas de inters.

3.3 Estimacin de la poblacin futura

La poblacin a servir es una poblacin que tiene que ser pronosticada. Hay que hacer pronsticos para todos aquellos componentes que lo int egran, que en general son: P = Pi + (N + I) (D + E) P = poblacin futura a n aos. Pi = poblacin inicial o presente. N = nacimiento durante n aos. I = inmigracin durante n aos. D = defunciones durante n aos. E = emigracin durante n aos.

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Como no es posible encontrar registros de los datos anteriores, es necesario utilizar modelos matemticos para poder estimar una poblacin futura. Estos modelos matemticos se basan en el comportamiento del crecimiento bacteriano.

Modelos matemticos para pronstico de poblacin: Se plantean de acuerdo a la informacin que se tenga y stos pueden ser: Analticos Grficos

Mtodos analticos Los mtodos analticos se aplican cuando se tiene suficiente certeza de los

datos que se disponen.

Los mtodos analticos ms comunes que se utilizan en un pronstico son los siguientes: Mtodo geomtrico Mtodo aritmtico Mtodo parablico o tasa declinante Mtodo logstico

Mtodos grficos Los grficos se toman en cuenta cuando se tiene el nmero de datos

suficientes, para acomodarlos en una curva. Proyeccin a ojo Proyeccin comparada

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Fuentes de informacin

Las fuentes primarias pueden ser los servicios de estadstica de los que disponga el pas, en Guatemala se puede encontrar informacin en las siguientes instituciones:

1. Instituto Nacional de Estadstica (es el responsable de realizar los censos de la poblacin).

2. Registros municipales y de salud (nacimientos y defunciones).

3. Comits comunitarios de desarrollo (COCODES).

4. Censos escolares.

5. Censo de poblacin que se efecta previo al diseo (ste conviene realizarlo cuando la cuadrilla lleva a cabo los trabajos de topografa).

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Modelos analticos

Tiene un patrn u origen comn. Este modelo se basa en el crecimiento bacteriano en funcin del medio nutritivo. Al incubar una colonia de bacterias en un medio de cultivo ocurre que, en el inicio, dado que existe abundancia del medio nutritivo, las bacterias se reproducen rpidamente, de una forma exponencial. Al disminuir el alimento el crecimiento es menor, teniendo una forma lineal, hasta que llega al punto de saturacin, es decir, que ya no hay espacio ni alimento para ms bacterias; al llegar a esta etapa las bacterias se alimentan unas de otras, hasta llegar a la destruccin total.

Figura 11. Grfica de crecimiento bacteriano

1. Crecimiento exponencial o geomtrico

2. Crecimiento lineal

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3.3.1 Mtodo geomtrico

Es el modelo matemtico que ms se adeca para las poblaciones que se encuentran en vas de desarrollo (Amrica latina, frica y Asia).

Figura 12. Grfica de crecimiento poblacional exponencial o geomtrico

D

dp/dt = k = constante de crecimiento

Integrando entre (P1 y P2 ) y (t1 y t2 ) Se determina k. k = ln (P2 /P1 ) t2 t1 Integrando entre P1 a P y t1 a t P = P1 (P2 )(t-t1)/(t2-t1) (P1 ) Sabiendo que (P2 /P1 ) es (R+1), entonces: P = P1 (R + 1)t-t167

Determinando que (t t1 ) es la diferencia entre las fechas del censo ms reciente y el perodo de diseo (n). P = P1 (R + 1)n P1 = poblacin al tiempo t1 (censo ms antiguo). P = poblacin al tiempo t. R = tasa de crecimiento geomtrico. n = perodo de diseo.

En Guatemala la tasa de crecimiento oscila entre un 3%, mientras que en otros pases es del 6%. sta se puede obtener en el Instituto Nacional de Estadstica para todos los municipios, existiendo tasas rurales y urbanas.

Ejemplo Estimar una poblacin al ao 2010 para una poblacin de una cabecera municipal, con base en los datos censales oficiales que se muestran a continuacin, utilizando el mtodo geomtrico:

Ao 25 marzo 1973 21 marzo 1981

Poblacin 4320 5112

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Desglosando la integracin de t2 y t

Censo de 1981 Enero Febrero Marzo 31 das 29 das 21 das 81 das

Censo de 1973 Enero Febrero Marzo 31 das 28 das 25 das 84 das

Determinar t2 = (81/365) = 0.22 t2 = 1981 + 0.22 t2 = 1981.22

Determinando t1 = (84/365) = 0.23 t1 = 1973 + 0.23 t1 = 1973.23

Calculo de la tasa de crecimiento entre el perodo de 1973 a 1981. R = P2 P11/(t2-t1)

1

R 1973-1981 = 5112 4320

1/(1981.22-1973.23)

-1

R = 0.0213 o 2.13%

Determinando la poblacin futura para el ao 2010 P = P1 (R + 1)t-t1 P2010 = 5112(0.0213 + 1)2010-1981 P2010 = 9420 habitantes

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Figura 13. Grfica de ejemplo de proyeccin de poblacin futura por el mtodo geomtricoPoblacin vrs. tiempo10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1970

P ba i n o l c

1980

1990 Aos

2000

2010

2020

3.3.2

Mtodo aritmtico

Se considera en las zonas en donde se espera que haya un crecimiento muy lento. Cuando la poblacin est bastante desarrollada.

Figura 14. Grfica de crecimiento poblacional por el mtodo aritmtico

dp/dt = k = constante de crecimiento Se integra la ecuacin, y se obtiene:

P2 -P1 = P P1 t2 t1 t t1

P = P1 + (P2 P1 ) * t t1 t2 t1

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P1 = poblacin al tiempo t1 (censo mas antiguo) P2 = poblacin al tiempo t2 (censo mas reciente) P = poblacin al tiempo t

Ejemplo: Para una poblacin los ltimos datos censales fueron:

Ao 26 marzo 1995 19 marzo 2000

Poblacin 9850 habitantes 12325 habitantes

Se proyecta una ampliacin, para un perodo de diseo para el 4 de marzo del ao 2025. Calcular la poblacin fritura mediante el mtodo aritmtico.

P = P1 + (P1 P2 ) * t t1 t1 t2

Censo de 1995 Enero Febrero Marzo 31 das 29 das 26 das 86 das

Censo de 2000 Enero Febrero Marzo 31 das 28 das 10 das 69 das

71

Censo de 2025 Enero Febrero Marzo 31 das 28 das 04 das 63 das

Determinar t2 = (86/365) = 0.23 0.19 t2 = 1995 + 0.23 t2 = 1995.23 Determinar t2 = (63/365) = 0.17 t2 = 2025 + 0.17 t2 = 2025.17

Determinar

t1 = (69/365) = t1 = 2000 + 0.19 t1 = 2000.19

P = 12325 + (12325 9850) * (2025.17 2000.19) (2000.19 1995.23)

P = 12325 + (2475) * (24.98/4.96)

P2035 = 24790 habitantes

72

3.3.3 Mtodos de comparacin grfica

El mtodo de comparacin grfica consiste en hacer una comparacin de manera grfica de la poblacin en estudio y de otra poblacin del pas con caractersticas similares. El mtodo supone que la poblacin en cuestin tendr una tendencia de crecimiento similar a la del crecimiento de la otra.

Se trabaja entonces con poblaciones de las siguientes caractersticas: Poblacin A: ciudad estudiada. Poblacin B: ciudad de la misma regin, similar en desarrollo, clima y tamao.

Se puede utilizar para analizar poblaciones donde no se tiene una informacin cierta, como los son las poblaciones que estuvieron implicadas en el conflicto armado interno, que fueron desplazados de sus comunidades y posteriormente al retornar fueron reasentados en otras localidades.

Figura 15. Grfica de crecimiento poblacional por el mtodo de comparacin

Pm = poblacin modelo

PmA = PmB

73

Las poblaciones A y B tienen las caractersticas similares, ya que la pendiente es la misma, por lo tanto es posible hacer una proyeccin de B basada en la informacin de A.

3.4

Consumo de agua

Los factores que afectan el consumo de una poblacin son: o Temperatura Debido a las condiciones propias de la actividad del ser humano, entre mayor sea la temperatura, mayor ser el consumo de agua. Por ejemplo, en climas clidos se beber ms agua, el aseo personal ser ms frecuente, se emplean sistemas de aire acondicionado y el riego de jardines ser ms intensivo.

o Calidad del agua El consumo de agua ser mayor en la medida en que las personas tengan la seguridad de una buena calidad de agua. Lo anterior es vlido para el sector domstico e industrial.

o Caractersticas socioeconmicas El consumo de agua depende tambin en buena parte del nivel de educacin y del nivel de ingresos de la poblacin. Por esta razn en ciudades desarrolladas, el consumo de agua es mayor que en los pueblos o caseros.

74

o Servicio de alcantarillado El hecho de disponer de una red de alcantarillado incrementa el consumo de agua potable, en comparacin con sistemas de letrinas, o donde no existe ningn sistema para evacuar excretas.

o Presin en la red de distrib ucin de agua Si se tienen altas presiones en la red, se presentarn mayores desperdicios en el consumo domstico al abrir las llaves de los lavamanos, regaderas, chorros etc. Igualmente se pueden presentar un mayor nmero de rupturas de tubos dentro del domicilio o en la misma red de distribucin, aumentando as el volumen de agua perdida.

o Administracin Una administracin eficiente controlar mejor el consumo de agua reduciendo las fugas y desperdicios, y vigilando las conexiones ilcitas.

o Medicin y tarifa El costo del agua es un factor importante en el consumo y de ste depender el uso racional del servicio y el evitar desperdicios.

75

3.4.1 Factores de consumo

3.4.1.1 Factor de da mximo:

Al observar la grfica siguiente se nota que hay das en el ao en que los consumos son mximos, debido a diferentes circunstancias.

Figura 16. Grfica del desvo del caudal promedio diario

fdm = Qmax. diario Qmd

El factor de da mximo se usar pequeo cuando las poblaciones sean muy grandes y se utilizar un factor grande cuando las poblaciones sean pequeas, ya que el mismo es para prever el uso simultneo del servicio. ste se usar para determinar el caudal de conduccin.

76

3.4.2 Factor de hora mximo

En la grfica siguiente se puede notar que durante el da hay horas en que los consumos son mximos, debido al uso simultneo del servicio por parte de la mayora de los habitantes de una comunidad.

Figura 17. Grfica del desvo del caudal promedio horario

fhm = Qmax. horario Qmd

El factor de hora mximo se usar pequeo cuando las poblaciones sean muy grandes y se utilizar un factor grande cuando las poblaciones sean pequeas, ya que el mismo es para prever el uso simultneo del servicio. ste se usar para determinar el caudal de distribucin.

77

3.5 Caudales de diseo

3.5.1 Dotaciones

Dotacin es una cantidad (volumen por unidad de tiempo) asignada a la unidad consumidora (habitante, cama de hospital, rea de riego, lavado, etc) y est expresada en litros por habitante por da. (lt/hab/da).

Para fijar la dotacin, hay que tomar en cuenta los estudios de demanda para la poblacin o de poblaciones similares, si los hubiere. Cuando no se haya realizado ninguno, las normas de diseo de las instituciones encargadas del abastecimiento de agua indican los siguientes valores:

Tabla VI. Dotaciones indicadas en las normas de diseoDESCRIPCIN DOTACIN (LTS/HAB/DA .) Llenacntaros Conexiones prediales Conexiones domiciliarias en el rea rural Conexiones domiciliares en el rea urbana 15-40 60-90 90-150 150-250

La dotacin se integra con los siguientes consumos: Domstico: casas particulares, condominios. Comercial: supermercados, locales comerciales. Industriales: todo lo que tiene que ver con fbricas. Publico: riego de parques pblicos. Fugas

78

Desperdicios

3.5.2 Caudal medio diario

El caudal medio diario es el producto de multiplicar la dotacin adoptada por el nmero de habitantes que se haya n estimado para el final del perodo de diseo, dividido entre el nmero de segundos que tiene un da. Qmd = dotacin * poblacin 86400

3.5.3 Caudal mximo diario

El

caudal mximo diario o caudal de conduccin es el mximo caudal

producido en un da durante un perodo de observacin de un ao. Es el resultado de multiplicar el consumo medio diario por el factor de da mximo. El factor de da mximo oscila entre 1.2 y 1.8. El factor a utilizar depender del tamao de la poblacin a servir. Qmax. diario = fdm * Qmd

79

3.5.4 Caudal mximo horario

El caudal m ximo horario o caudal de distribucin, es el mximo caudal producido durante una hora en un perodo de observacin de un ao y este se calcula multiplicando el caudal medio por el factor de hora mxima. El factor de hora mximo se encuentra entre 2 y 3. El factor a utilizar depender del tamao de la poblacin a servir. Qmax. horario = fhm * Qmd

3.6

Presiones mximas y mnimas

La presin hidrosttica mxima en lneas de conduccin y de distribucin debe ser menor que la presin de trabajo de la tubera a utilizar, aunque hay que tomar en cuenta la calidad de los accesorios y las vlvulas, acueducto est en servicio. para evitar fugas cuando el

Las presiones en las redes de distribucin van a depender de las diferentes alturas que tenga el terreno tendrn los siguientes valores: Presin mnima Presin mxima 10 metros (presin de servicio) 40 metros (presin de servicio)

80

3.7

Tipos y clases de tuberas

Toda tubera cuenta con tres caractersticas fundamentales, las cuales son, el dimetro, la clase y el tipo de tubera. Con respecto al dimetro, se debe mencionar que comercialmente a cada tubera se le asigna un dimetro nominal que no es el mismo dimetro interno del conducto. La clase de tubera se refiere a la norma que se us para su fabricacin, ntimamente relacionada con la presin de trabajo. Tambin indica la razn entre el dimetro externo y el espesor de la pared de la tubera. Y por ltimo el tipo de tubera se refiere al material de que est fabricada. Los materiales ms comunes usados para las tuberas de acueductos son el cloruro de polivinilo (PVC) y el acero galvanizado (H.G.).

3.7.1 Tuberas de acero galvanizado

El acero galvanizado tiene su principal aplicacin cuando se encuentre sobre la superficie del terreno, ya que si se entierra empieza a corroerse.

Segn la ASTM (American Society for Testing and Materials), la tubera de acero galvanizado, debe cumplir con la norma ANSI-ASTM A 120-79. Las siglas ANSI se refiere a American Nacional Standard Institute y 79 al ao en que se puso en vigor la norma.

81

La tubera se fabrica bajo las denominaciones cdula 30, 40 y 80. Por ejemplo, la fabricada bajo la denominacin cdula 40 se conoce como tubera estndar. La tubera de acero galvanizado existe en tres presentaciones.

a) Tubera peso estndar, para dimetros nominales de 1/8 a 6. b) Extra fuerte, para dimetros entre 1/8 y 12 c) Doble extra fuerte, para dimetros entre y 8.

Las tablas Nos. VII y VIII proporcionan los datos correspondientes a la tubera de acero galvanizado cdula 40 y 80.

82

Tabla VII. Dimensiones, pesos nominales y presiones de prueba para tubera de acero galvanizado peso estndar (Cdula 40)

TAMAO PULG.

DIMETRO EXTERIOR

ESPESOR DE LA PARED Pulg 0.068 0.088 0.091 0.109 0.113 0.133 0.140 0.145 0.154 0.203 0.216 0.226 0.237 0.258 0.280 Mm 1.73 2.24 2.31 2.77 2.87 3.38 3.56 3.68 3.91 5.16 5.49 5.74 6.02 6.55 7.11

1/8 3/8 1 1 1 2 2 3 3 4 5 6

Pulg. 0.405 0.540 0.675 0.840 1.050 1.315 1.660 1.900 2.375 2.875 3.500 4.000 4.500 5.563 6.625

Mm 10.3 13.7 17.1 21.3 26.7 33.4 42.1 48.3 60.3 73.0 88.9 101.6 114.3 141.3 168.3

PESO Extremos Extremos lisos roscados y coplas Lb/pie Kg/m lb/pie kg/m 0.24 0.4 0.24 0.4 0.42 0.6 0.42 0.6 0.57 0.8 0.57 0.8 0.85 1.13 1.68 2.27 2.72 3.65 5.79 7.58 9.11 10.79 14.62 18.97 1.3 1.7 2.5 3.4 4.0 5.4 8.6 11.3 13.6 16.1 21.8 28.3 0.85 1.13 1.68 2.28 2.73 3.68 5.82 7.62 9.20 10.89 14.81 19.18 1.3 1.7 2.5 3.4 4.1 5.5 8.7 11.4 13.7 16.2 22.1 28.6

PRESIN DE TRABAJO Soldadura Sin costura a tope psi 700 700 700 700 700 700 1000 1000 1000 1000 1000 1200 1200 ----MPa 4.83 4.83 4.83 4.83 4.83 4.83 6.89 6.89 6.89 6.89 6.89 8.27 8.27 ----Psi 700 700 700 700 700 700 1000 1000 1000 1000 1000 1200 1200 1200 1200 MPa 4.83 4.83 4.83 4.83 4.83 4.83 6.89 6.89 6.89 6.89 6.89 8.27 8.27 8.27 8.27

83

Tabla VIII. Dimensiones, pesos nominales y presiones de prueba para tubera de acero galvanizado extra fuerte (Cdula 80)

Tamao pulg.

Dimetro exterior Pulg. 0.405 0.540 0.675 0.840 1.050 1.315 1.660 1.900 2.375 2.875 3.500 4.000 4.500 5.563 6.625 Mm 10.3 13.7 17.1 21.3 26.7 33.4 42.2 48.3 60.3 73.0 88.9 101.6 114.3 141.3 168.3 219.1 273.0 323.8 355.6 406.4

Espesor de la pared Pulg 0.095 0.119 0.126 0.147 0.154 0.179 0.191 0.200 0.218 0.276 0.300 0.318 0.337 0.375 0.432 0.500 0.500 0.500 0.500 0.500 Mm 2.41 3.02 3.20 3.73 3.91 4.55 4.85 5.08 5.54 7.01 7.62 8.08 8.56 9.52 10.97 12.70 12.70 12.70 12.70 12.70

Peso Extremos lisos lb/pie 0.31 0.54 0.74 1.09 1.47 2.17 3.00 3.63 5.02 7.66 10.25 12.51 14.98 20.78 28.57 43.39 54.74 65.42 72.09 82.77 Kg/m 0.46 0.80 1.10 1.62 2.19 3.23 4.47 5.41 7.48 11.41 15.27 18.63 22.31 30.95 42.56 64.63 81.54 97.44 107.38 123.29

1/8 3/8 1 1 1 2 2 3 3 4 5 6 8 G 10 H 12 I 14 J 16

Presin de trabajo Soldadura a Sin costura tope psi MPa psi MPa 850 5.86 850 5.86 850 5.86 850 5.86 850 5.86 850 5.86 850 850 850 1300 1300 1300 1300 1300 1700 1700 --------------5.86 5.86 5.86 8.96 8.96 8.96 8.96 8.96 11.72 11.72 --------------850 850 850 1500 1500 1500 1500 1500 1700 1700 1700 1700 1700 1600 1600 1300 1100 5.86 5.86 5.86 10.34 10.34 10.34 10.34 10.34 11.72 11.72 11.72 11.72 11.72 11.03 11.03 8.96 7.58

8.625 10.750 12.750 14.000 16.000

84

3.7.2 Tubera PVC

El cloruro de polivinilo (PVC) es el material que ms se emplea en la actualidad, esto es debido a que es ms econmico, ms liviano, fcil de instalar, durable y no se corroe, pero tambin tiene muchas desventajas, es ms frgil y no se puede dejar en la intemperie, ya que se vuelve quebradizo.

La tubera PVC se fabrica segn la Norma ASTM D-1785, bajo la clasificacin de cdulas 40, 80 y 120. De ellas, la que ms se emplea para pequeos y medianos sistemas de abastecimiento de agua es la de cdula 40.

3.7.3 Uniones

La tubera de PVC cuenta con dos tipos de uniones, la unin con campana y la unin de junta rpida. Para la unin con campana se requiere utilizar cemento solvente, para lo cual deben limpiarse perfectamente los bordes de la tubera y luego colocar el cemento solvente y empalmar los dos tubos. La unin de junta rpida trae un empaque de hule, el cual permite una unin ms firme.

La ventaja de la unin con campana est en su costo y la ventaja de la junta rpida est en el tipo de unin que es ms segura.

85

3.7.3.1 Dimetros comerciales de tubera PVC

Tabla IX. Dimetros comerciales de tuberas PVC PRESION 125 psi = 87.88 m.c.a 160 psi = 112.49 m.c.a 250 psi = 175.77 m.c.a DIMETRO COMERCIAL (PULG) 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 18 1, 1, 1, 2, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15 , 1, 1, 1, 2, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12

Las tablas Nos. X, XI y XII indican las caractersticas de la tubera de PVC 1120 ASTM D 2241 SDR 17, 26 y 32.5.

Tabla X. Tubera de PVC 1120 ASTM D 2241 SDR 32.5 Presin de trabajo a 23 o C: Presin mnima de ruptura: 125 psi = 8.80 kg/cm2 = 87.88 m.c.a 400 psi = 28.12 kg/cm2 (falla en 60 a 90 segundos) Longitud de cada tubo: 20 pies = 6.09 m

Dimetro nominal Mm Pulg. 75 3 100 4 125 5 150 6 200 8 250 10 300 12 375 15 450 18

Dimetro Exterior Mm pulg. 88.90 3.500 114.30 4.500 141.30 5.563 168.28 6.625 219.08 8.625 273.05 10.750 323.85 12.750 388.62 15.300 457.01 18.701

Espesor de pared (mm) Mm Pulg. 2.74 0.108 3.51 0.138 4.35 0.171 5.18 0.204 6.73 0.265 8.41 0.331 9.96 0.392 11.96 0.471 14.61 0.575

Dimetro Interior Mm Pulg. 83.41 3.284 107.29 4.224 132.60 5.221 157.91 6.217 205.62 8.095 256.23 10.088 303.93 11.966 364.70 14.358 427.79 17.551

Peso aproximado kgs. lbs. 6.56 14.47 10.78 23.77 16.52 36.42 23.47 51.73 39.69 87.50 61.78 136.21 86.79 191.33 104.60 230.12 195.82 430.80

86

Tabla XI. Tubera de PVC 1120 ASTM D 2241 SDR 26 Presin de trabajo a 23 o C: Presin mnima de ruptura: 160 psi = 11.2 kg/cm2 = 112.49 m.c.a 500 psi = 35.15 kg/cm2 (falla en 60 a 90 segundos) Longitud de cada tubo: 20 pies = 6.09 m

Dimetro nominal Mm Pulg. 25 1 31 1 38 1 50 2 62 2 75 3 100 4 125 5 150 6 200 8 250 10 300 12 375 15

Dimetro exterior Mm 33.40 42.16 48.26 60.33 73.03 88.90 114.30 141.30 168.28 219.08 273.05 323.85 388.62 pulg. 1.315 1.660 1.900 2.375 2.875 3.500 4.500 5.563 6.625 8.625 10.750 12.750 15.300

Espesor de pared (mm) Mm Pulg. 1.52 0.060 1.63 0.064 1.85 0.073 2.31 0.091 2.79 0.110 3.43 0.135 4.39 0.173 5.43 0.214 6.48 0.255 8.43 0.332 10.49 0.413 12.45 0.490 14.94 0.588

Dimetro interior Mm 30.35 38.91 44.55 55.70 67.45 82.04 105.51 130.43 155.32 202.21 252.07 298.95 358.74 Pulg. 1.195 1.532 1.754 2.193 2.655 3.230 4.154 5.135 6.115 7.961 9.924 11.770 14.124

Peso aproximado kgs. 1.35 1.83 2.39 3.72 5.45 8.14 13.41 20.51 29.10 49.32 76.48 107.62 162.44 lbs. 2.97 4.03 5.27 8.21 12.01 17.94 29.57 45.21 64.15 108.74 168.61 237.26 357.38

87

Tabla XII. Tubera de PVC 1120 ASTM D 2241 SDR 17 Presin de trabajo a 23 C: Presin mnima de ruptura: 250 psi = 17.6 kg/cm2 = 175.77 m.c.a 800 psi = 56.3 kg/cm2 (falla en 60 a 90 segundos) Longitud de cada tubo: 20 pies = 6.09 m

Dimetro nominal mm Pulg. 18 25 1 31 1 38 1 50 2 62 2 75 3 100 4 125 5 150 6 200 8 250 10 300 12

Dimetro Exterior Mm pulg. 26.67 0.840 33.40 1.315 42.16 1.660 48.26 1.900 60.33 2.375 73.03 2.875 88.90 3.500 114.30 4.500 141.30 5.563 168.28 6.625 219.08 8.625 273.05 10.750 323.85 12.750

Espesor de pared (mm) Mm Pulg. 1.57 0.062 1.96 0.077 2.49 0.098 2.84 0.112 3.56 0.140 4.29 0.169 5.23 0.206 6.73 0.265 8.30 0.327 9.91 0.390 12.90 0.508 16.05 0.632 19.05 0.750

Dimetro Interior Mm pulg. 23.52 0.926 29.49 1.161 37.19 1.464 42.57 1.676 53.21 2.095 64.44 2.537 78.44 3.088 100.84 3.970 124.69 4.909 148.46 5.845 193.27 7.609 240.94 9.486 285.75 11.250

Peso aproximado kgs. lbs. 1.10 2.42 1.71 3.77 2.74 6.05 3.59 7.91 5.61 12.36 8.20 18.07 12.16 26.81 20.11 44.34 30.68 67.64 43.58 96.07 73.89 162.90 114.59 252.63 161.28 355.56

3.8

Accesorios

Los accesorios en un sistema de abastecimiento de agua son todas aque llas piezas que son necesarias para poder unir lo tubos de conduccin y de distribucin, unir ramificaciones, para cambiar dimetros y tipos de tuberas y cambio de direcciones, entre otras cosas.

88

Entre los principales accesorios se pueden encontrar: codos de 45 y 90 grados, reducidores, bushing, adaptadores machos y hembras, tapones machos y hembras, tees, uniones, coplas y uniones universales.

Algunos de estos accesorios de PVC tienen un extremo con rosca, son tiles cuando se cambia el tipo de tubera o para la instalacin de vlvulas. Estos accesorios al igual que los tubos PVC trabajan a cierta presin.

En la tabla X que se presenta a continuacin, se da a conocer la informacin sobre el uso de los diferentes accesorios en PVC.

Tabla XIII. Uso de accesorios de PVC ACCESORIO Codo de 90 Codo de 45 Reducidores bushing Adaptadores machos Adaptadores hembras Tapones machos con o sin rosca Tapones hembras con o sin rosca Tees Unin universal con o sin rosca Copla con y sin rosca USO Cambiar la direccin de la tubera a 90 grados Cambiar la direccin de la tubera a 45 grados Para cambiar el dimetro de la tubera. Para cambiar tubera de PVC a Hg y stos entran en la tubera Para cambiar tubera de PVC a Hg y la tubera entra en el adaptador. Para terminar un conducto. Para terminar un conducto. Para conectar tres tuberas. Para efectuar reparaciones. Para unir tuberas.

89

Figura 18. Accesorio de PVC

Coplas

Copla roscada

Codo a 90

Codo a 45

Tee reducidora

Tee reducidora con rosca

Reducidor bushing

Reducidor bushing con rosca

90

Adaptador macho

Adaptador hembra

Tapn macho

Tapn macho con rosca

Tapn hembra

Tapn hembra con rosca

Unin universal

Unin universal con rosca

91

92

4. LNEAS DE CONDUCCIN

La conduccin es la tubera, canales y tneles por donde se transporta el caudal de da mximo, desde la fuente hacia la planta de tratamiento y en caso de no existir sta hacia los depsitos o tanques de almacenamiento.

4.1 Tipos de lneas de conduccin

Hay dos regmenes de conduccin, que pueden ser, rgimen libre que se utiliza mediante canales o tneles y el rgimen forzado, que es el de conduccin por gravedad o por bombeo. Estas dos ltimos, son los ms utilizadas para transportar el agua a los tanques de almacenamiento. Aunque es preferible utilizar la conduccin por gravedad, ya que su costo es mucho ms econmico.

Conducciones libres En lneas de conduccin libres hay que seguir ciertos criterios:

El dimetro mnimo a usar ser de 6 o su equivalente en secciones no circulares.

Las velocidades deben estar comprendidas entre 0.6 y 3.0 m/s.

93

Para el diseo de este tipo de conduccin, generalmente se utiliza la formula de Manning descrita anteriormente.

Conducciones forzadas Al igual que en las conducciones libres hay que seguir ciertas normas.

Se recomienda usar un dimetro mnimo de 1.

Atendiendo razones econmicas se puede aceptar dimetros de .

Si se trata de agua con material en suspensin sedimentable o erosivo, la velocidad mnima debe de ser mayor de 0.4 m/s y menor de 3.0 m/s.

Si es agua sin material sedimentable o erosivo no hay lmite mnimo y el mximo se fijar solamente de acuerdo a la sobre presin del golpe de ariete y en ningn caso mayor a 5 m/s.

La tubera debe enterrarse a una profundidad mnima de 0.80 metros sobre la corona (nivel superior del tubo).

94

Para tuberas instaladas bajo calles de trnsito, la profundidad de colocacin se calcular en funcin de las cargas vivas y muertas, el tipo de suelo y la tubera a usar. En estos casos la profundidad de colocacin no ser menor de 1.20 m.

En terrenos inclinados, la tubera deber protegerse mediante la construccin de muros que eviten el deslave.

En los puntos ms bajos y en los cruces de corrientes, se podr dejar la tubera area, para tal efecto se usar tubera metlica.

Se deben instalar vlvulas de aire, ventosas o chimeneas en los puntos ms altos.

Deben instalarse vlvulas de limpieza en los puntos ms bajos.

Se instalarn cajas-rompe presin con el objeto de que la mxima presin esttica no exceda la presin de trabajo de la tubera.

De ser necesario se construirn anclajes en los cambios de direccin.

95

La presin esttica se produce cuando todo el lquido en la tubera y en el recipiente que la alimenta est en reposo.

La presin dinmica se produce cuando hay flujo de agua, la presin esttica modifica su valor disminuyndose por la resistencia o friccin de las paredes de la tubera.

La cota piezomtrica es la mxima presin dinmica en cualquier punto de una lnea de conduccin o distribucin, que alcanzara una columna de agua si en dicho punto se colocara un manmetro. Es equivalente a la cota de superficie del agua en el punto de salida, menos la prdida de carga por friccin que ocurre en la distancia que los separa.

Figura 19. Presin esttica y dinmica

96

4.1.1 Lneas por gravedad

Para el diseo de lneas de conduccin por gravedad se deben determinar las longitudes y los dimetros para poder ajustar las prdidas a las alturas disponibles

Figura 20. Conduccin por gravedad

Al aplicar la ecuacin de Bernoulli se tiene

muy pequea = 0 H + Pa - Pb + v2 = S prdidas 2g

Pero Pa Pb = 0, por lo tanto,

H + 0 +0 = sumatoria de prdidas H = S prdidas

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La altura disponible H es igual a la sumatoria de todas las prdidas en la lnea de conduccin, aunque por razones de seguridad hay algunos diseadores que tienden a dejar un margen de seguridad de unos cinco metros.

Hay varios tipos de prdidas en una lnea de conduccin, se encuentra la prdida por friccin que es provocada por el roce del agua y la tubera, y las prdidas menores que son producidas por los accesorios, la entrada de agua y la descarga de la misma.

Para poder realizar un diseo de una lnea de conduccin por gravedad es necesario tener el caudal que viene del anlisis previo, aunque para este clculo hay que utilizar el caudal de da mximo que se obtiene de la siguiente manera: Qda max. = Q * fhm

Las longitudes de la tubera al igual que las alturas de la misma, se determinan en el levantamiento topogrfico; y es importante tomar en consideracin que las distancias son horizontales, mientras que en la realidad al estar enterradas las tuberas stas siguen la pendiente del terreno, de manera que la longitud real es mayor, por lo tanto, como seguridad adicional, se recomienda afectar la longitud por un factor que vara entre el cinco y el diez por ciento.

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En una lnea de conduccin, hay que tomar en cuenta que hay que combinar dos dimetros, uno grande y el otro menor, para hacer que las prdidas sean iguales a las alturas disponibles. Para ello hay que determinar cu l es la longitud de tubera para cada uno de ellos. Eso se puede determinar con una relacin de tringulos como la que se muestra a continuacin.

Figura 21. Grfica para determinar longitudes y dimetros en lneas por conduccin por gravedad

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En la grfica anterior, la relacin de tringulos se puede observar de la siguiente forma, el triangulo pequeo (D-B-C) tiene una altura H H1 y una longitud L2, mientras que el tringulo grande (A-B-C) tiene una altura H2 H1 y una longitud L, es por ello que se llega a la siguiente relacin: H H1 = H2 H1 L2 L

L2 = L (H H1) H2 H1 L1 = L L2

Para realizar el diseo de una lnea de conduccin, hay que determinar los dimetros con que se va ha trabajar, y despus ha y que calcular las prdidas con los dimetros antes encontrados. Estas prdidas se pueden conocer por medio de la frmula de Hazen & Williams.

Despus hay que conocer cu l ser la longitud que se usar para cada dimetro con la frmula antes descrita

Como ltimo paso, despus de conocer la longitud que se usar para cada tubera, hay que calcular las prdidas reales, stas tienen que dar un resultado muy prximo a la diferencia de cotas. Algo muy importante de resaltar es que en las lneas de conduccin los dimetros mayores irn al principio de las mismas.

100

Ejemplo El Qda max es de 10 lt/seg y se debe conducir de la captacin (cota 1000) al tanque de almacenamiento (cota 963), cuya distancia es de 800 m. Disear la conduccin con tubera PVC, clase 160.

Q = 10 lt/seg

L = 800 * 1.05 = 840 m.

C = 150

h = 1000 963 = 37 m.

1. Clculo del dimetro por medio de Hazen & William. d = 1743.811 * 840 * 101.85 1501.85 * 37 d = 3.14 pulg.1/4.87

Hay que aproximar a los dos dimetros comerciales ms prximos: 1. d1 = 4 pulg. 2. d2 = 3 pulg. 2. Determinar las prdidas usando los dimetros encontrados anteriormente. hf4 = 1743.811 * 840 * 101.85 1501.85 * 44.87 hf4 = 11.43 m. hf3 = 1743.811 * 840 * 101.85 1501.85 * 34.87 hf3 = 46.39 m.

101

3. Conocer las longitudes de tubera que se usarn para cada dimetro, usando la relacin de tringulos antes mostrada.

L2 = (840 * (37 11.43)) 46.39 11.43 L2 = 614.38 m. L1 = 840 578.01 L1 = 225.62 m.

4. Como ltimo paso se determinan las prdidas reales de la lnea. hf4 = 1743.811 * 225.62 * 101.85 1501.85 * 44.87 hf4 = 3.06 m. hf3 = 1743.811 * 614.38 * 101.85 1501.85 * 34.87 hf3 = 33.93 m.

5. Como prueba, se puede observar que la suma de las prdidas reales es aproximadamente igual a la diferencia de cotas del terreno.

Perdidas reales:

3.06m + 33.93m = 36.99 m.

Diferencia de cotas: 1000m 963m = 37 m.

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Figura 22. Esquema de lneas de presin esttica y dinmica en una lnea de conduccin por gravedad

En una lnea de conduccin, hay que saber que la tubera de PVC, solo soporta cierta presin, por lo tanto las pendientes de la s tuberas no deben sobrepasar esa presin y as evitar que la tubera se rompa. Para evitar esa problema, se debe colocar una caja rompe presin.

4.1.1.1 Uso de cajas rompe -presin

En oportunidades, sobre todo cuando se aprovechan como fuentes de abastecimiento, manantiales que afloran en las maanas, puede darse que la presin esttica exceda la presin de trabajo de las tuberas, por lo que es necesario ubicar una o varias cajas rompe-presin.103

El diseo de estas conducciones se efecta por tramos, como se ilustra en el siguiente ejemplo:

Figura 23. Localizacin de caja rompe -presin

En este caso la presin esttica equivale a 180 m.c.a. y la presin de trabajo de la tubera PVC clase 160 es de aproximadamente 112 m.c.a, por lo que en la estacin 0+510 debe instalarse una caja rompe-presin en la cota 910.

El diseo se realiza determinando los dimetros y longitudes para los tramos: a) b) Estacin 0+000 a C.R.P (Estacin 0+510) C.R.P (estacin 0+510) a estacin 0+1650104

4.1.1.2 Uso de tuberas de mayor presin de trabajo

Existen oportunidades en que las lneas de conduccin deben pasar por hondonadas y que por razones topogrficas no es posible el uso de cajas rompepresin, ya que el agua no llegara por gravedad al punto deseado, de manera que habr que utilizar tubera de mayor presin, tal como se ilustra en el siguiente esquema:

Figura 24. Uso de tuberas de mayor presin de trabajo

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La presin esttica en el punto ms bajo, aproximadamente en la estacin 1 + 110 es de 160 m.c.a.; pero la altura disponible entre la captacin y el tanque de almacenamiento es de 25 m., lo que no permite utilizar una caja rompe-presin, de manera que de la estacin 0+370 a la estacin 1+800 se colocar tubera PVC clase 250, cuya presin de trabajo es de aproximadamente 175 m.c.a. que es superior a los 160 m.c.a. de presin esttica mxima.

4.1.2

Lneas por bombeo

4.1.2.1 Dimetro econmico

Previo al diseo de la lnea de impulsin (bombeo), debe calcularse el caudal que se impulsar, el cual se denomina caudal de bombeo y se calcula de la siguiente manera: 1) QB = Qda max * 24 tB donde tB es el tiempo de bombeo y se expresa en horas al da.

Es muy importante tomar en cuenta la velocidad con a que se conducir el l agua al momento de disear una lnea de conduccin por bombeo, ya que para disminuir la sobre presin generada por el golpe de ariete se recomienda que la velocidad mnima debe ser 0.6 m/s y la velocidad mxima de 2.0 m/s.

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Figura 25. Lnea de impulsin o lnea de conduccin por bombeo

Para disear una lnea de conduccin por bombeo hay que tener cierto criterio, ya que hay que tomar en cuenta cu l ser el dime tro ms econmico de la tubera; si se escoge una tubera de dimetro grande, la prdida ser pequea y por ende el costo de energa sera bajo, pero el costo de la tubera sera muy alto; mientras que si la tubera es de dimetro pequeo, el costo sera barato, pero las prdidas seran mayores y por lo tanto el costo de energa sera ms alto.

De acuerdo con lo indicado anteriormente, es necesario calcular el dimetro econmico de la tubera, el cual ser el que presente el menor costo del tubo y de la energa.

Existen f rmulas para el clculo del dimetro econmico, sin embargo, es preferible realizar un anlisis econmico de menor costo, el cual se describe a continuacin:

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a) Determinar los posibles dimetros a utilizar, los que deben cumplir con los rangos de velocidad indicados anteriormente. d = 1.974 * Q

ves decir, el dimetro inferior corresponder a 0.2 m/s y el superior a 2 m/s, debindose analizar todos los dimetros comerciales que se encuentren dentro de dicho rango.

b) Calcular el costo de la tubera por mes para los dimetros encontrados en la literal anterior. Para ello como primer paso, hay que determinar la amortizacin, usando la siguiente frmula:

A = r * (r + 1)n (r + 1)n 1

donde: A = amortizacin r = tasa de inters n = el tiempo (nmero de meses) en que se desea pagar la tubera.

Luego de haber conocido la amortizacin, se calcula el costo por longitud de tubera. Finalmente se puede conocer cual es el costo final de la tubera por mes, multiplicando la amortizacin por el costo de longitud de tubera.

CT = A * C donde: A = C= amortizacin costo por longitud de tubera.

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Es razonable usar 10 aos para la amortizacin de una tubera, ya que la vida til de un equipo de bombeo oscila entre ese tiempo.

c) Determinar el costo de bombeo, y ste va depender de las prdidas de carga por longitud de tubera, para lo cual habr que calcular para cada uno de los dimetros las prdidas por friccin y luego calcular la potencia. P= donde: Q*h 76 * e

Q = gasto o caudal (lt/s). h = prdidas por friccin (m) e = eficiencia a la que trabaja la bomba, lo ms comn es usar 0.6. P = potencia de la bomba en caballos de fuerza.

Convertir los caballos de fuerza en kilo vatios. 5. 1H.P. 0.746 Kw

y luego calcular la energa requerida mensualmente Kw * hora de bombeo al mes.

La que multiplicada por el costo del kilo vatio hora proporcionar el costo mensual del bombeo.

En el caso que no se cuente con energa elctrica la eficiencia para el clculo de la potencia es la del conjunto bomba- motor.

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A continuacin se presentan rendimientos de los combustibles:

Tabla XIV. Rendimiento de combustibles TIPO DE COMBUSTIBLE Diesel Gasolina 0.065 gal/hp/hora 0.11 gal/hp/hora RENDIMIENTO

d) Sumar los costos de tubera por mes y el costo de bombeo, y el dimetro econmico corresponder al menor costo.

4.1.2.2 Carga dinmica total para los diferentes tipos de bombas

a) Bomba de eje horizontal Perdidas de carga que debe vencer la bomba:

La primera altura que debe vencer la bomba es la altura del nivel mnimo al eje de la bomba (hs).

Despus la prdida de carga en la lnea de succin, esta altura se calcula utilizando la formula de Hazen & Williams.

La altura del eje de la bomba a la descarga (H).

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La prdida de carga en la lnea de impulsin, al igual que en la lnea de succin se utiliza la formula de Hazen & Williams (hf).

La prdida de carga de velocidad (v2 /2g).

Prdidas menores, stas se deben a los accesorios y vlvulas que tenga la lnea y generalmente se estiman como el diez por ciento de las prdidas por friccin en la lnea de impulsin.

Figura 26. Prdidas de carga a considerar en bomba de eje horizontal

b) Bomba vertical de motor externo Prdidas de carga que debe vencer la bomba:

La altura del nivel dinmico a la boca de pozo.

La prdida de carga en conjunto de columna, se determina de la siguiente manera: h = (4 a 5 m) * (S/100), donde S es el lugar en donde se colocar la bomba.111

La altura de la boca del pozo a la descarga

La prdida de carga en la lnea de impulsin, utilizando la formula de Hazen & Williams.

La cargas por la velocidad. (v2 /2g).

Las prdidas menores que son causadas por accesorios de la tubera, se determinan casi siempre como el 10% de la prdida de carga en la lnea de impulsin.

Figura 27. Prdidas de carga a considerar en bomba de motor externo

c) Bomba sumergible La carga total para la bomba sumergible es muy parecida externo. a la de motor

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La altura del nivel dinmico al nivel de la boca del pozo.

Las prdidas de carga en tubo de columna utilizando a formula de Hazen & Williams.

La altura de la boca del pozo a la descarga.

Las prdidas de carga en la lnea de impulsin, usando Hazen & Williams.

La carga de velocidad (v2 /2g).

Las perdidas menores son el 10% de la prdida de carga en la lnea de impulsin. .

Figura 28. Prdidas de carga a considerar en bomba sumergible

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En resumen cuando se disea una lnea de conduccin por bombeo, hay que considerar que la operacin de todo el sistema de bombeo es mucho ms costosa que la operacin de un sistema similar por gravedad, adems se debe tomar en cuenta el mantenimiento y operacin del sistema.

4.1.2.3 Golpe de ariete:

El golpe de ariete es un fenmeno que se produce al momento de cerrar una vlvula bruscamente o cuando hay algn cese de energa. Por lo tanto ha y que verificar que la tubera sea capaz de aguantar esta sobrepresin. En algunos casos se puede colocar una vlvula de alivio para reducir el golpe de ariete.

El golpe de ariete es una onda de presin que se propagar con una velocidad llamada celeridad a que se calcula de la siguiente manera:

a=

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1+donde:

k Di * E e

k = modulo de elasticidad volumtrica del agua. (2.07 * 104 kg/cm2 ) E = mdulo de elasticidad del material.

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Tabla XV. Valores de mdulo de elasticidad volumtrica de materiales MATERIAL PVC Hierro fundido Acero Asbesto de cemento E (KG/CM 2 ) 3 * 104 1.05 * 106 2.05 * 106 (1.85 2.5) * 106

Di = dimetro interno del tubo. e = espesor de la pared del tubo.

La sobrepresin generada, se calcula mediante la siguiente expresin: ?P = a * v g

donde:

a = celeridad v = velocidad de servicio (m/s) g = gravedad (9.81 m/s2 ) ? P = sobrepresin (m.c.a)

La verificacin de la resistencia de la tubera a soportar el golpe de ariete se realiza sumando la altura de bombeo ms la sobre presin, lo que debe ser menor que la presin de trabajo de la tubera.

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Ejemplo El caudal de bombeo para abastecer a una poblacin es de 15 lt/seg., utilizando un equipo de motor externo, desde un pozo de 8 pulgada de dimetro, cuya boca se encuentra en la cota 1000 m., nivel dinmico en la 940 m. y nivel esttico en la cota 975 m.; la bomba est ubicada en la cota 920 m. El tanque de almacenamiento se encuentra a 900 m. de distancia y su cota es de 105