ºº
Captación: Captación: La captación de agua de lluvia es un medio fácil de obtener agua para consumo humano y/o uso agrícola.
2012 RUBEN D CADME UNIVERSIDAD CATOLICA AZOGUES 17/04/12
DISEÑO DE CAPT CAPTACIÓN REJILLA DE FONDO AL RIO
INDICE
CAPTACION CON REJILLA DE FONDO
1.
INTRODUCCION
A través de la historia, el hombre ha necesitado de un suministro adecuado de agua para su alimentación, seguridad y bienestar. El agua es una necesidad universal y es el principal factor limitante para la existencia de la vida humana. Ahora en el siglo XXI el recurso mas importante del ser humano “el agua” se esta escaseando, el efecto de la escases es global, siendo esta la principal causa que un 15% de la población mundial este muriendo. Nuestro planeta tierra ha venido perdiendo el equilibrio entre la cantidad de aguas utilizables y la demanda; hasta el equilibrio entre el ecosistema y nuestra capacidad de coexistir con la naturaleza. La disminución de las reservas de aguas subterráneas, la contaminación de las aguas y el deterioro general de los recursos hídricos, esta llevando a la disminución de la diversidad de especies vinculadas con el agua y un aumento en el número de especies en grave peligro de extinción alrededor del mundo.
2.
OBJETIVOS -
3.
Analizar los conocimientos adquiridos en el aula.
-
Dar información básica para la captura de agua de lluvia como alternativa para afrontar la escasez del recurso
-
Mejorar la cultura en el manejo del agua
-
El objetivo de este estudio es plantear la captación de agua como una alternativa para la escasez de agua en el planeta, y principalmente en Guapan, así como mostrarlo como una alternativa sencilla para su uso cotidiano en una casa.
ESTUDIOS BÁSICOS
La captación a diseñar es en una zona de clima templado y posee una población de 50000 habitantes con una dotación diaria de 180 litroshabitante-día.
Periodo de diseño de 20 años
La tasa de crecimiento es de 2 %.
La visita a la captación en Guapan tiene las siguientes características:
-
4.
Captación en rio pequeño Conducción por gravedad Desarenador para la sedimentación de las partículas del agua
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS PARA EL DISEÑO DE CAPTACIONES DE AGUA
4.1 DEFINICIONES • Obra De Captación: Consiste en una estructura colocada directamente en la fuente, a fin de captar el gasto deseado y conducirlo a la línea de aducción. • Represa De Nivel: Obra ejecutada en un curso de agua para elevar el nivel del curso superficial a una cota predeterminada
• Enrocamiento: Represamiento de nivel constituido de bloques de roca, colocados en el curso de agua.
4.2 REQUISITOS PREVIOS Calidad Del Agua • Deberá determinarse la calidad física, química y bacteriológica de la fuente y los parámetros básicos de análisis de agua que se recomienda determinar. • Debe identificarse los puntos de contaminación de la fuente aguas arriba, del posible emplazamiento de la captación y evaluarse el impacto que originan en la calidad del agua que se abastecerá a la población. • Se deben desechar las fuentes superficiales cuyas características pongan en riesgo la calidad del agua abastecida a la población e incrementen los costos de tratamiento.
Cantidad De Agua • Deberá obtenerse registros de escorrentía de la cuenca en estudio; y a falta de ellos, datos referentes a cuencas próximas y semejantes para estudios de
correlación entre ellas. Del examen de estos registros se deberán determinar los valores de caudal máximo, mínimo y medio de la fuente. • Se deberá complementar esta información con mediciones de caudal o aforos de la fuente, al menos dos veces en diferentes épocas del año. Un aforo imprescindiblemente en época de estiaje y otros complementarios, dependiendo del tipo de fuente y el tipo de obra de toma seleccionada. • Deben ser cuidadosamente investigadas las fluctuaciones de nivel de las masas de agua para evitar problemas relacionados con los niveles mínimos que aseguren la captación y de los máximos para que no peligre la estabilidad de las obras. • En el caso que no existan datos suficientes sobre la escorrentía del curso, la información de los ribereños respecto a los ciclos de sequías extremas, puede ser de gran utilidad.
Estudios Complementarios Es también importante el conocimiento de otras características del río, que incidirán en el diseño de la obra de captación, tales como contenido normal de arena, arrastre de sedimentos durante las crecidas, magnitud del material de arrastre, etc. Esta información será útil para la selección del dispositivo de captación más aconsejable, en función del grado y tipo de material arrastrado, la magnitud de las fuerzas de empuje e impacto sobre las estructuras y las previsiones en cuanto al material a utilizar en su construcción, para evitar daños mayores a las mismas.
5.
OBRAS CIVILES E HIDRÁULICAS
El diseño hidráulico del proyecto de captación, desarenador, conducción está formado por una conducción a presión y conduce las aguas desde el tanque de carga hasta una planta de tratamiento para después distribuirlas a las comunidades específicas. Las principales obras del proyecto hidráulico es el estudio, calculo y diseño de: -
Captación con rejilla de fondo.
-
Desarenador.
-
Conducción del agua.
5.1 CAPTACION CON REJILLA DE FONDO
Descripción: Los ríos de montañas o torrentes tienen las siguientes características 1.- Pendientes longitudinales fuertes que pueden llegar al 10% o a veces más. 2.- Crecientes súbitas causadas por aguaceros de corta duración y que llegan gran cantidad de piedras. 3.- Grandes variaciones diarias de caudal cuando provienen de nevados. 4.- Pequeño continente de sedimentos finos y agua relativamente limpia en estiaje.
Por lo tanto las obras de toma convencionales tienen las siguientes desventajas: 1.- El azud debe estar levantado acierta altura sobre el fondo del río para poder captar el agua, y como consecuencias son necesarias obras de disipación de energía que son bastante costosas. 2.-La compuerta de purga tiene una eficiencia baja y siempre algunas piedras quedan en la reja. Si no hay mantenimiento constante y cuidadoso, los sedimentos comienzan a tapar la reja con los consiguientes perjuicios para la captación Consiste, en una rejilla fina de fondo ubicada horizontalmente, o con pequeña inclinación sobre una galería hecha en el cuerpo del azud y que conecta con el canal.
5.2 DISEÑO DEL AZUD: Para el diseño del azud el Qmin tiene que ser mayor al Q diseño donde de la formula de Bazin obtenemos un M constante igual a 1.84 donde y el ancho del azud suponemos de 3 metros: 3
Q
= 1.84. L.H 2 Donde despejamos H para obtener la altura del río sobre el
azud. 2
Qdiseño 3 1 . 84 . L
H =
Longitud corregida del ancho del azud: L′ = L − 0.1.n. H
Donde n es la contracción de lado y lado igual a 2.
Calculo de la velocidad del río que pasa por el azud: Para el cálculo de la velocidad del río debemos estar en el intervalo hidráulico de diseño que es: (0.3 < Vr < 3 m/seg) Vr = Vr =
Qdiseño A Qdiseño L ′. H
Diseño del canal de aducción: B= Xs+0.1 Xs= alcance del filo superior del chorro de agua. Xi = alcance del filo inferior del chorro de agua. B = ancho del canal de aducción mínimo 40cm. Lr = longitud de la rejilla mínimo 70cm. 2
Xs
4
= 0.36(Vr ) 3 + 0.6( H ) 7
4
Xi
3
= 0.18(Vr ) + 0.74( H ) 4 7
Diseño de la rejilla: Para el diseño de la rejilla debemos imponernos valores de: a= ancho del espacio libre de la rejilla= 0.05 b= ancho de los barrotes= 0.0191 K= 0.9 Vb = velocidad a través de los barrotes máximo de 0.2m/seg Area.neta =
Qdiseño K .Vb
=
a ( a + b)
. B. Lr
Despejamos Lr para obtener la longitud de la rejilla con un mínimo de 70cm. Lr =
Qdiseño(a + b) K .Vb.a. B
Calculamos el área neta con el valor de Lr: Area.neta = a. N . B
Despejando N= número de espacios en la rejilla: N =
Area.neta a. B
Corrección de Lr y del área neta: Area.neta = a. N . B
Velocidad a través de la rejilla: Vb =
Qdiseño K . Area.neta
Niveles de agua en el canal de aducción: Para el canal de aducción consideramos un ancho de muro de 0.3m y un borde libre B.L=0.15m, la gravedad de 9.81m/seg2, una pendiente del fondo del canal del 3%. Lc = Lr + ancho del muro
he = hc = 3
Qdiseño2 B 2 . g 1
2 i. Lc 2 2 ho = 2he + hc − − .i. Lc 3 3 2
ho= profundidad de aguas arriba. he= profundidad de aguas abajo. hc= profundidad de agua critica.
Ancho de la caja de recolección: Para el cálculo de la caja de recolección se deberá calcular primero la velocidad de entrada: Ve =
Qdiseño he. Brejilla
Cumple la condición de (0.3< Ve < 3m/seg) Xs
2
4
= 0.36(Ve) + 0.6(he)
7
3
B caja = Xs + 0.3
Diseño del desagüe para el caudal de excesos: Para el diseño del canal para excesos necesitamos los siguientes caudales: Q Max. Q min. Q diseño Q médio 3
Q max = 1.84. L ′.H 2
Despejamos H para hallar la altura de agua en crescida. 2
Q max 3 1.84. L′
H =
3
Qmedio = 1.84. L.H 2
Despejamos H para hallar La altura de água media.
2
Qmedio 3 1.84. L
H =
Calculo Del caudal de excesos: Qexc = Qcapt.m – Qdiseño
5.3 DESARENADOR
5.3.1 GENERALIDADES: Se llaman desarenador a una obra hidráulica que sirve para separar y remover después, el material sólido que lleva el agua de un canal. Los desarenado res cumplen una función muy importante y por esto, salvo casos especiales de aguas muy limpias, debe considerarle como obras indispensables dentro de los proyectos de utilización de recursos hidráulicos. En la mayoría de las obras de toma la velocidad de entrar es lo suficientemente grande para arrastrar partículas sólidas. Esto ocurre espacialmente en tiempo de creciente cuando puedan entrar al canal grandes cantidades de sedimentos. Se ha observado que durante las crecientes la cantidad de sólidos en los ríos de montaña puede llegar a ser de 4% al 6% en volumen del caudal y del 0,2% -1,0% en los ríos de llanura. La captación de arena ocasiona perjuicios a las obras entre las cuales los principales son:
1.- Una gran parte del material sólido va depositándose en el fondo de los canales disminuyendo su sección. Con el tiempo la capacidad de la sección puede disminuir tanto que el agua desbordara por los aliviadores. 2.- La sedimentación de las partículas espacialmente intensa en los tanques de presión y en los reservorios de regulación diaria debido a la velocidad baja existente en estas estructuras. 3.- En canales que sirven a las plantas hidroeléctricas la arena arrastrada por el agua pasa a las turbinas desgastándolas tanto más rápidamente cuanto mayor es la velocidad. Así se ha observado que en muchas plantas ha sido necesario reparar las turbinas 3 o 4 veces al año y que el rendimiento disminuye en 10-50 % en periodos tan cortos como tres meses. Construyen desarenado res se han demostrado que aumenta de 5 a 6 veces la duración de las turbinas.
5.3.2 DESAREDORES DE LAVADO INTERMITENTE DESCRIPCIÓN: Son el tipo más común y la operación de lavado se procura realizar en el menor tiempo posible con el objeto de reducir al mínimo las pérdidas de agua. Para cumplir su función el desarenador se compone de los siguientes elementos.
1.- Una transición de entrada que une el canal con el desarenador. La transición debe ser echa lo mejor posible pues la eficiencia de la sedimentación depende de la uniformidad de la velocidad en la sección transversal.
2.- La Cámara de sedimentación propia mente dicha y en la cual las partículas sólidas caen al fondo debido a la disminución de la velocidad producida por el aumento de sección. Se ah visto que con velocidades medias superiores a 0.5 m/s. los granos de arena no pueden detenerse en una superficie lisa como lo es el fondo de un desarenador. De acuerdo a lo anterior la sección transversal de un desarenador se diseña para velocidades que varían entre 0,1m/s, y 0,4m/s. la profunda media varía entre 1,5 y 4m. La forma puede ser rectangular o trapezoidal simple o compuesta.
Al final de la cámara se construye un verdadero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal las capas superiores son las que primero se limpian hacia el canal. Las capas superiores son las que primero se limpian y es por esto que la salida del agua desde el desarenador se hace por medio de un vertedero, que hasta donde sea posible debe trabajar libre. También mientras más pequeñas es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensión arrastran. Como máximo se admite que esta velocidad puede llegar a V=1m/s. Tomando en cuenta que el valor de M varía generalmente entre 1.8 y 2 podemos concluir que el máximo valor de H no debería pasar de 25cms. Esta es una forma preferible de a aquella que dice que la lamina vertiente del verdadero debe ser menor que la mitad del calado de llegada. Casi siempre el ancho de la cámara del desarenador no es suficiente para construir el verdadero recto y perpendicularmente a la dirección del agua.
3.- La compuerta de lavado, por la cual se desalojan los materiales depositados en el fondo. Para facilitar el movimiento de las arenas hacia la compuerta, al fondo del desarenador generalmente se le da una gradiente fuerte del 2 al 6 %. El incremento de profundidad obtenido por el efecto de esta gradiente no se incluye en el calado del cálculo, si no que el volumen adicional obtenido se le toma como deposito paras las arenas sedimentadas entre dos lavados sucesivos. Es necesario hacer un estudio de la cantidad y tamaño de sedimentos que trae el agua para asegurar una adecuada capacidad del desarenador y no necesitar lavarlo con demasiada frecuencia. Para lavar una cámara del desarenador se cierran las compuertas de admisión y se abren las de lavado con lo que el agua sale con gran velocidad arrastrando la mayor parte de los sedimentos. Entre tanto el caudal normal sigue pasando al canal sea a través del canal directo o a través de otra cámara del desarenador. Una vez que está vacía la cámara, se abren parcialmente las compuertas de admisión y el agua que entra circula con gran velocidad sobre los sedimentos que han quedado erosionándolas completando el lavado.
4.- Canal directo por el cual se da servicio mientras se esta lavando el desarenador. El lavado se efectúa generalmente en un tiempo corto pero por cualquier motivo reparación o inspección es necesario secar la cámara del desarenador el canal directo que va por su contorno permite que el servicio no se suspenda. Con este fin ala entrada se colocan dos compuertas una de entrada al desarenador y otra al canal directo.
5.3.3 Diseño Del Desarenador: Los desarenado res se diseñan para un determinado diámetro de partículas es decir que se suponen que todas las partículas de diámetro superior al escogido deben depositarse. La teoría de la desarenacion se basa en la composición de velocidades. Una partícula sólida situada a una altura h sobre el fondo, bajo la influencia de la fuerza de gravedad cae con una velocidad w que puede calcularse con la ecuación de Stokes. La partícula llegara al fondo después de un tiempo. T = h/w La misma partícula tiene una velocidad horizontal V que en el tiempo T la arrastra una longitud L igualando los tiempos y asumiendo que la partícula está en la superficie o sea que h es el calado de la cámara de sedimentación.
Velocidad de sedimentación: La velocidad de sedimentación esta basada por la formula de Hazen y Stokes: Vs
=
g .(δ s
− δ ).d 2
18υ
Suponemos para el diseño una altura de 1.2 m.
g = gra vedad = 980cm / seg
= densidad .de.la. particula.a. se dim entar = 2.65.arenas .del .liquido = 1 g δ = densidad ν = vis cos idad .cinematica Donde: d = dismetro.de.la. particula.a. se dim entar = 0.15mm. Arena. Fina δ s
Tiempo que tarda la partícula crítica en ser removida:
V θ
t
=
Q H
=3
Vs
Visto en tablas. Despejando t obtenemos: t =
H Vs
=
Despejando θ tenemos: θ
= 3.t
Periodo de retención hidráulica: Es el tiempo en que una gota de agua demora en entrar y salir del desarenador dentro de un intervalo de tiempo (0.3h < 0 < 4 h) θ
=
V Q
V = θ .Q
Área superficial del desarenador: As.H
As
= B. L
L
=3
B 1 L = 4 B
Carga hidráulica superficial: La carga hidráulica superficial debe ser igual a la velocidad de sedimentación y 3 2 viene en unidades de m / m .dia que debe estar dentro de 15 y 80. q
=
Qdiseño A
Partícula a sedimentar con respecto al área calculada:
Vo =
g δ s − δ 2 .d . 18 ν
Despejamos d:
Vo.18ν
d =
g (δ s
− δ )
Calculo de la velocidad horizontal: Vh =
Qdiseño Atransv.
Calculo de la velocidad horizontal máxima: Vh. max
= 20Vs
Cumple que la Vh max es mayor a Vh.
Calculo de la velocidad de arrastre: Vr =
8 K f
. g .(δ s
− δ ).d
Cumple que Vh tiene que ser menor a Vr.
Calculo del vertedero de salida: 3
Qdiseño = 1.84. B.Hv 2 2
Hv
Qdiseño 3
= 1.84. B
15 Hv
Velocidad en la caja de recolección:
v
Qdiseño
=
A
=
Qdiseño g B. Hv
Ancho de la caja de recolección: Xs
=
0.36(V )
2
4
3
7
+
0.6( Hv)
Caja de entrada al desarenador: Q excesos = Q máximo – Q diseño
Altura del chorro del vertedero de excesos: 2
Qexcesos 3 ( / 3 )( 1 . 84 B
Hexc =
Velocidad del chorro en el vertedero de excesos: v=
Qexcesos A
Cumple con la condición de (0.3< v < 3m/seg.) Ancho del vertedero de excesos: 2
4
Xs
= 0.36(V ) + 0.6( Hv)
7
6.
CALCULOS Y PLANOS
3
Revisar cálculos en el Cd
7.
OBRAS DE CONDUCCION
7.1 DEFINICION: El agua captada por las obras de toma debe ser conducida hasta el sitio de su utilización y esto se hace por medio de canales abiertos o de tuberías forzadas. A excepción de las tuberías de presión que llevan el agua alas turbinas de una planta hidroeléctrica , se va a tratar solamente de canales abiertos pues los túneles a presión y las tuberías que sirven para abastecimiento de agua no son materia de este curso.
7.2 OBRAS ESPECIALES EN CANALES Cuan se proyecta un canal hay que prever la necesidad de una serie de obras auxiliares que sirve para protegerlo, para cruzar depresiones y para facilidad o seguridad de la gente, que vive en la cercanía. Entre las primeras tenemos los aliviaderos, las cunetas de coronación y los pasos de agua. Entre las segundas tenemos los rellenos, acueductos y sifones. Entre las terceras están los puentes, los pasos para peatones y las cercas.
7.3 CRUZES DE QUEBRADAS Y DE PRESIONES Muchas veces un canal se encuentran en un camino con una depresión que debe cruzar a veces es posible mover toda la alineación hacia arriba o subir con el canal por el cause de la quebrada para pasar por debajo de esta con una alcantarilla o túnel o disminuir el tamaño de la obra aun que a veces resulta muy difícil por las excavaciones o de las grandes quebradas en lo que este caso es necesario cruzar la quebrada con una obra especial que puede ser un acueducto, relleno o un sifón.
7.4 ACUEDUCTOS Son puentes de hormigón armado y menos usual de mampostería de piedra, hierro o madera que conducen el agua sobre la depresión en lo que algunas veces se aprovecha el puente para paso de vehículos o peatones. Normalmente hasta 10 o 15 metros se usan acueductos en forma de vigas rectas sobre pilas en donde si las pilas son muy altas los acueductos son en forma de arcos y el cálculo es netamente estructural igual a un puente.
7.5 RELLENOS Un relleno consiste en una estructura de tierra compactada hecha con materiales locales que cierra la sección de la quebrada elevando el nivel del terreno en este sitio hasta el nivel del canal. El relleno tiene el mismo diseño y forma de construcción que una presa de tierra con la diferencia que no debe almacenar agua ni quedar sumergida
7.6 SIFONES Los sifones son tuberías que bajan hasta el fondo de la depresión siguiendo los taludes de la misma, dependiendo de la altura entre la parte alta y el fondo del sifón y por lo tanto de la presión que soporta los sifones pueden ser tuberías de un solo diámetro o pueden tener los diámetros de creciente hacia bajo. Esto se hace por economía, pues un diámetro menor es capaz de soportar una presión menor sin necesidad de aumentar el espesor de las paredes.
8.
CONCLUSIONES
La aparente abundancia del agua en el mundo ha dado la impresión, en el pasado, de que se trataba de un bien inagotable. Era también el más barato. En la mayor parte de regiones el agua era gratuita. Todo ello ha conducido al hombre a derrocharla.
Pero si bien ahora sabemos que eso no es posible, por lo que se necesita la participación de los miembros de la sociedad para que desde cada una de sus actividades: en el hogar, en el trabajo, en la escuela, en la comunidad, en las áreas de recreación, consideren el valor del agua haciendo u so e fi ci e nt e d el r e cu r so y c ui d an d o d e n o r eg r es ar la t an contaminada para preservar la calidad de las reservas naturales del agua. Recapitulando; el sistema de captación de agua de lluvia consta de varios procesos: los cuales representan una solución local. • Área de captación • Sistema de administración • Desarenador • Conducción
Este sistema de aprovechamiento del agua es una alternativa v i a b l e p a r a abas te cer en ca nt idad y cal idad a las n ume rosas pobla cione s margi nales de la zona que sufren la carencia de agua. Los materiales, costos y características de cada componente varían, por lo que se debe de considerar y seleccionar de acuerdo con las necesidades de cada comunidad.
