DISEÑO DE CAPTACION 9
CAPTACION DE AGUAS SUBTERRANEAS
Se emplea como fuente de agua, para abastecimiento público de poblaciones pequeñas, las aguas subterráneas puede captarse de manantiales, pozos, galerías filtrantes.
1.9.1 MANANTIALES Se los conoce también con el nombre de «ojos de agua» o «puquios» y es el agua del subsuelo que aflora a la superficie superficie del terreno o en las laderas laderas de los cerros, en partes bajas como hondonadas, los manantiales son abundantes en la Sierra de Cajamarca.
CLASES DE MANANTIALES 1. De Laderas
Son afloramientos que ocurren en las laderas de los cerros a una altura cualquiera sobre el fondo del valle.
2. De Fondo o Talud
Estos se forman cuando el nivel de agua subterránea es cortada por el fondo de un valle. 3. Artesianos
Son los producidos por la posición de un estrato acuífero aprisionado entre extractos impermeables, en este caso, el agua aflora a presión, como en los los pozos artesianos.
4. Intermitentes
Son aquellos que ofrecen en todo tiempo un régimen discontinuo.
1.9.2 POZOS Son excavaciones o perforaciones, practicadas en el suelo con el objeto de captar el agua subterránea para fines de abastecimiento. De acuerdo a la profundidad los pozos pueden ser: POZOS SUPERFICIALES O POCO PROFUNDOS
Son lo que captan el agua subterránea a poca profundidad del nivel del terreno, estos pozos son los mas utilizados en nuestra zona, la cantidad de agua que rinden estos pozos es suficiente para el abastecimiento de una casa o para el consumo limitado de personas, las protección sanitaria de estos pozos es de bajo costo. POZOS PROFUNDOS
Son los que captan el agua subterránea de napas profundas, estos pozos rinden un mayor volumen de agua, aunque a un mayor costo, son utilizados para el abastecimiento de una población mayor. POZOS ARTESIANOS
Constituyen un caso particular de pozos profundos por la procedencia de agua de napas cautivas, cautivas, en estos pozos el agua agua aflora a la superficie superficie del terreno, terreno, debido a la presión que trae el agua, sin necesidad de medios mecánicos.
AGUA SUBTERRANEA - Para el abastecimiento de agua, las estructuras son similares (reservorio, CRP6, CRP7) la captación es diferente y se lo realiza de manantiales, galerías filtrantes, pozos. - En estos tipos de sistemas, no existen plantas de tratamiento (sedimentación, filtros).
1.14.1 CAPTACION DE UN MANANTIAL -
Se realizarán las excavaciones hasta buscar el ojo de agua, se construirá una cámara colectora y de carga, un compartimiento para válvulas, tuberías de rebose y de limpieza de fondo, muros para aletas, sellado con una plataforma para evitar la contaminación del manantial.
Es la parte inicial del sistema hidráulico y consiste en las obras donde se capta el agua para poder abastecer a la población. Pueden ser una o varias, el requisito es que en conjunto se obtenga la cantidad de agua que la comunidad requiere. Para definir cuál será la fuente de captación a emplear, es indispensable conocer el tipo de disponibilidad del agua en la tierra, basándose en el ciclo hidrológico, de esta forma se consideran los siguientes tipos de agua según su forma de encontrarse en el planetab Aguas superficiales. Aguas subterráneas. Aguas meteóricas (atmosféricas). Agua de mar (salada). Las agua meteóricas y el agua de mar, ocasionalmente se emplean para el abastecimiento de las poblaciones, cuando se usan es porque no existe otra posibilidad de surtir de agua a la localidad, las primeras se pueden utilizar a nivel casero o de poblaciones pequeñas y para la segunda, en la actualidad se desarrollan tecnologías que abaraten los costos del tratamiento requerido para convertirla en agua potable, además de que los costos de la infraestructura necesaria en los dos casos son altos. Por lo tanto, actualmente solo quedan dos alternativas viables para abastecer de agua potable a una población con la cantidad y calidad adecuada y a bajo costo, las aguas superficiales y las subterráneas. Las aguas superficiales son aquellas que están en los ríos, arroyos, lagos y lagunas, las principales ventajas de este tipo de aguas son que se pueden utilizar fácilmente, son visibles y si están contaminadas pueden ser saneadas con relativa facilidad y a un costo aceptable. Su principal desventaja es que se contaminan fácilmente debido a las descargas de aguas residuales, pueden presentar alta turbiedad y contaminarse con productos químicos usados en la agricultura. Las aguas subterráneas son aquellas que se encuentran confinadas en el subsuelo y su extracción resulta algunas veces cara, éstas se obtienen por medio de pozos someros y profundos, galerías filtrantes y en los manantiales cuando afloran libremente. Por estar confinadas están más protegidas de la contaminación que las aguas superficiales, pero cuando un acuífero se contamina, no hay método conocido para descontaminarlo.
Las obras de captación son las obras civiles y electromecánicas que se emplean para extraer las aguas. Estas obras varían de acuerdo a las características de la fuente de abastecimiento, su localización, la topografía del terreno y por la cantidad de agua a extraer. Un requisito importante para el diseño de una obra de captación, es la previsión que sea necesaria para evitar la contaminación de las aguas.
1. CAPTACIÓN DE MANANTIALES 1.1 Descripción (ver gráfico n° 01) La captación de manantiales se realiza mediante una estructura de concreto armado, conformado por 2 cajas, siendo la primera para el ingreso del agua y la segunda como caja de válvulas. Ambos deben tener tapas metálicas herméticas. La caja de ingreso deberá tener orificios que permiten el ingreso del agua a la caja y tener un relleno de grava entre la caja y el terreno donde se ubica el manantial. El objetivo es que el agua ingrese a la caja lo más directamente posible sin recibir contaminación del medio ambiente. De acuerdo al caudal de captación DIGESA clasifica las cajas de captación en 3 tipos, con dimensiones de acuerdo al caudal.
1.2 Componentes de la estructura - Caja de captación y caja de válvulas. - Rejilla en la entrada de la tubería. - Vertedor de excedencias y tubería de limpia. - Válvulas para línea de conducción y tubo de limpieza. - Zanja perimetral para interceptar escurrimiento al manante y caja. - Tubo de ventilación. - Tapas de las cajas de 0.80 x 0.60m con cierres herméticos. - En manantes dispersos utilizar galerías colectoras hasta la caja. - Cerco perimétrico.
. Captación de manantiales
Elegida la fuente de agua e identificada como el primer punto del sistema de agua potable en el lugar del afloramiento, se construye una estructura de captación que permita recolectar el agua, para que luego pueda ser transportada mediante las tuberías de conducción hacia el reservorio de almacenamiento. La fuente en lo posible no debe ser vulnerable a desastres naturales, en todo caso debe contemplar las seguridades del caso. El diseño hidráulico y dimensionamiento de la captación dependerán de la topografía de la zona, de la textura del suelo y de la clase del manantial; buscando no alterar la calidad y la temperatura del agua ni modificar la corriente y el caudal natural del manantial, ya que cualquier obstrucción puede tener consecuencias fatales; el agua crea otro cauce y el manantial desaparece. Es importante que se incorporen características de diseño que permitan desarrollar una estructura de captación que considere un control adecuado del agua, oportunidad de sedimentación y facilidad de inspección y operación.
3.1
Tipos de captación
Como la captación depende del tipo de fuente y de la calidad y cantidad de agua, el diseño de cada estructura tendrá características típicas. Cuando la fuente de agua es un manantial de ladera y concentrado, la captación constará de tres partes: La primera, corresponde a la protección del afloramiento; la segunda, a una cámara húmeda para regular el gasto a utilizarse; y la tercera, a una cámara seca que sirve para proteger la válvula de control. El compartimiento de protección de la fuente consta de una losa de concreto que cubre toda la extensión del área adyacente al afloramiento de modo que no exista contacto con el ambiente exterior, quedando así sellado para evitar la contaminación. Junto a la pared de la cámara existe una cantidad de material granular clasificado, que tiene por finalidad evitar el socavamiento del área adyacente a la cámara y de aquietamiento de algún material en suspensión. La cámara húmeda tiene una canastilla de salida para conducir el agua requerida y un cono de rebose para eliminar el exceso de producción de la fuente. Si se considera como fuente de agua un manantial de fondo y concentrado, la estructura de captación podrá reducirse a una cámara sin fondo que rodee el punto donde el agua brota. Constará de dos partes: La primera, la cámara húmeda que sirve para almacenar el agua y regular el gasto a utilizarse; la segunda, una cámara seca que sirve para proteger las válvulas de control de salida y desagüe. La cámara húmeda estará provista de una canastilla de salida y tuberías de rebose y limpia. Si existen manantiales cercanos unos a otros, se podrá construir varias cámaras de las que partan tubos o galerías hacia una cámara de recolección de donde se inicie la línea de conducción. Adyacente a la cámara colectora se considera la construcción de la cámara seca cuya función es la de proteger la válvula de salida de agua.
Construcción de captación
La captación es una estructura de concreto que sirve para proteger al manantial y recolectar el agua para abastecer a la población. Asimismo, debe cumplir con las especificaciones de estructuras apoyadas de concreto para almacenamientos de líquidos en lo referente a ubicación, encofrados y concretos. Para el buzón de inspección se utiliza preferentemente la tapa metálica del tipo sanitaria. La ubicación y dimensión del buzón adecuada para facilitar las labores de inspección, limpieza y desinfección. Se construirá el canal de escurrimiento, aguas arriba de la captación a fin de evitar el ingreso de aguas superficiales hacia la captación. Asimismo, se acondicionará un canal para evacuar la salida de la tubería de desagüe (limpia y rebose).
4.1
Construcción de captación en manantial de ladera a) Aspectos generales La captación en manantial de ladera es una estructura que permite recolectar el agua del manantial que fluye horizontalmente, llamado también de ladera. Cuando el manantial es de ladera y concentrado, la captación consta de tres (3) partes: La primera, corresponde a la protección de afloramiento; la segunda, a una cámara húmeda que sirve para almacenar el agua y regular el gasto a utilizarse; y la tercera, a una cámara seca que sirve para proteger a la válvula de salida.
b) Zona de afloramiento Para proteger la zona de afloramiento del agua se realizarán las siguientes acciones: .
.
.
.
Definir en campo las características de los componentes de la captación, en previsión a desastres naturales en la zona. Deberá construirse muros en ala que sirvan de pantalla a las filtraciones subsuperficiales, las mismas que serán obligadas a ingresar en la cámara húmeda. Se realizará la impermeabilización del fondo del terreno excavado con una pendiente mínima de 2%, comprendido entre la cámara húmeda y las filtraciones a fin de que éstos discurran sobre aquél, y puedan ingresar en ella a través de los orificios perforados en el muro respectivo. Se colocará material clasificado en dos (2) capas. La capa inferior constituida por piedras con un diámetro mínimo de 2” colocadas hasta una altura de 5 cm por encima del orificio superior de entrada a la cámara recolectora. La capa superior, será de material granular de espesor de ¾” a 1” hasta cubrir completamente el nivel de las filtraciones y la excavación realizada.
.
Luego, se procederá al sellado con concreto 1:4:8 de espesor no menor de 5 cm cubriendo el área comprendida entre los muros, y el comienzo de las excavaciones.
c) Cámara húmeda (colectora) Es una estructura de concreto de sección rectangular. En esta cámara se recolectará el agua del manantial y está prevista de una canastilla, por donde saldrá el agua y pasará a la válvula de salida de la cámara seca, de una tubería de limpia y un cono de rebose que se instalará en un nivel más bajo que los puntos de afloramiento. d) Cámara seca (de válvulas) Es una estructura de concreto de sección rectangular. Estará separado de la cámara seca por un muro de concreto de 0,60 m de altura y 0,15 m de espesor. Se instalará una válvula de control para el registro del agua de la línea de conducción. e) Ubicación Será ubicada lo más cerca posible al afloramiento del manantial de ladera, con la protección necesaria ante la eventualidad de desastres naturales. f) Excavación La excavación para los cimientos tendrá una profundidad mínima de 0,80 m. Se removerá el material de relleno que quede adyacente al afloramiento mismo, de tal manera que el acuífero quede completamente descubierto. Se realizarán las excavaciones necesarias, a fin de garantizar la estabilidad de las zonas de afloramientos. Por ningún motivo se utilizarán explosivos o detonantes para las excavaciones. g) Cimientos Deberán cumplir con la finalidad estructural de estabilidad y, en caso que los planos indiquen, servirán de pantallas interceptoras de corrientes subsuperficiales de agua. h) Sellados Todas las excavaciones deberán ser rellenadas y compactadas, si fuera necesario selladas con concreto pobre. i) Prueba hidráulica Se llenará de agua la cámara húmeda y se observará atentamente las fugas. Debido principalmente a la porosidad del concreto.
La prueba durará 24 horas; si no se producen filtraciones se dará por terminada la prueba; en caso contrario, se hará los resanes necesarios y se repetirá la prueba hidráulica hasta obtener resultados satisfactorios.
DISEÑO DE CAPTACIÓN EN MANANTIAL ASCENDENTE: a) Parámetros de Diseño.
á. =4.90 =0.00490 / á.. =5.39 =0.00539 Presión de salida del agua = 0.35 mca
Además el diseño de la Caja de Captación estará formada por dos cámaras una Colectora, que será la encargada de captar directamente el flujo de agua, y el segundo almacenará el agua para conducirla a la Cámara de Reunión. Para ambas cámaras se considerará el mismo volumen de almacenamiento, teniendo entre ellas un muro de 0.10 m, en el cual se ubicará el vertedero rectangular. 1. Cálculo del volumen de almacenamiento:
Dónde:
=á ∙
Va: Volumen de almacenamiento (m 3) Qmáx d: Caudal máximo diario (m 3/seg) Tr : Tiempo de retención (seg)… (3 – 5 minutos)
Considerando: Tr = 3.00 minutos = 180.00 seg Qmáx d = 0.00490 m 3/seg Va = 0.882 m3 Va = 882 Lts
2. Dimensiones de la Primera Cámara: Para garantizar la continuidad del flujo debe cumplirse que la altura del nivel del agua almacenada debe ser menor que la altura de presión de salida del agua 0.40 mca. Por lo que las dimensiones de caja de captación, serán:
=á ∙
Luego optamos por las siguientes medidas para la primera cámara:
H = 0.20 m a = 1.70 m b = 1.80 m
Presión agua que emerge > Presión del agua almacenada Presión agua que emerge = 0.35 mca = 350 kg/m 2
ó = Á = ∙ =882.00 Á =∙=3.06 ó =288.24 <350
Luego las dimensiones finales de la Primera Cámara (Caja de captación), considerando un borde libre para efectos de aireación y construcción, serán: Borde Libre = 0.60 m H= 0.80 m a = 1.70 m b = 1.80 m 3. Dimensiones de la Segunda Cámara:
=0.882
Luego las dimensiones finales de la 2º Cámara (Caja de almacenamiento), considerando un borde libre para efectos de aireación y construcción, serán: Borde Libre = 0.60 m Considerando además la parte superior del nivel de agua almacenada al tirante sobre la cresta. h = 0.20 m H = 1.40 m a = 1.00 m b = 1.60 m 4. Cálculo del diámetro de salida de la tubería de conducción: Será tratada como orificio y se calculará con la siguiente fórmula:
á = ∙ ∙ √ 2
Dónde:
Qmáx d: Caudal máximo diario = 0.0049 m 3/seg Cd: Coeficiente de descarga (0.60 – 0.82)… Asumimos: 0.78 Ac: Área del conducto (m 2) g: Gravedad = 9.81m/seg 2 H: Carga sobre la tubería = 0.50 m De la fórmula: Ac = 0.002006 m 2
= →= ∙ Luego: D = 0.0505 m D = 1.99” = 2”
5. Cálculo de la tubería de desagüe o de limpieza:
Esta tubería debe desaguar un caudal igual al máximo aforado del manantial más el volumen aforado en la cámara húmeda en un tiempo determinado, entonces:
= +
Dónde:
Qs: Caudal de salida (m 3/seg) Va: Volumen almacenado (m 3) = 0.882 m 3 t: tiempo de salida (seg) = 3 min = 180 seg Qaforado: Caudal aforado (m 3/seg) = 0.0054 m 3/seg
= 0.180882 +0.0054=0.0103 /
Para calcular el diámetro de la tubería de desagüe lo realizaremos como orificio de pared gruesa (boquilla), donde el caudal viene expresado por:
=∙∙ √ 2 Dónde: C: Coeficiente de gasto… C = 0.82
g: gravedad = 9.81 m/seg 2 H: Carga sobre la tubería = 0.60 m Entonces:
A = 0.0037 m 2
= 4 →= 4 ∙ Luego: D = 0.0682 m D = 2.69” = 3”
6. Cálculo de la tubería de Rebose: Caudal a evaluar:
= −á
Qaforo: Caudal máximo aforado = 5.39 L/seg Qmáx d: Caudal máximo diario = 4.90 L/seg
=0.490 =0.0005 /
Esta tubería además de servir de rebose, también cumple cierta función ante posibles obstrucciones o cierre de válvulas. Asimismo esta tubería se comporta como un vertedero de sección circular y pared ancha. El caudal a evacuar es el total captado: 0.00539 m 3/seg Suponiendo una velocidad de evacuación: V = 2.00 m/seg Por continuidad.
=∙=∙ 4 = D = 0.0586 m D = 2.31” = 2 ½”
7. Cálculo de la tubería de Ventilación: Se hará uso de un tubo de PVC de D = 2 '', sobresaliendo 50 cm y en cuyo extremo se colocara un sombrero de ventilación. C. DISEÑO DE LA CÁMARA DE REUNIÓN: Una cámara de reunión es una estructura que sirve para reunir caudales, dichos caudales serán los que se tienen en función del número de captaciones.
á. =45.53 =0.04553 /
1. Cálculo del volumen de almacenamiento:
Dónde:
=á ∙
V A: Volumen de almacenamiento (m 3) Qmáx d: Caudal máximo diario (m 3/seg)
Tr : Tiempo de retención (seg)
Considerando: Tr = 2.00 minutos = 120.00 seg (1’ – 3’)
VA = 0.04553∙120.00 V A = 5.464 m3
Optamos por las siguientes medidas:
=á ∙
H = 1.60 m a = 2.10 m b = 2.10 m
Luego las dimensiones finales de la 2º Cámara de reunión, considerando un borde libre para efectos de aireación y construcción, serán: Borde Libre = 0.60 m
H = 2.20 m a = 2.10 m b = 2.10 m 2. Cálculo del diámetro de salida de la tubería de conducción: Será tratada como orificio y se calculará en:
Dónde:
á = ∙ ∙ √ 2 Qmáx d: Caudal máximo diario = 0.04553 m 3/seg Cd: Coeficiente de descarga (0.60 – 0.82)… Asumimos: 0.78 Ac: Área del conducto (m 2) g: Gravedad = 9.81m/seg 2
H: Carga sobre la tubería = 1.50 m De la fórmula: Ac = 0.010760 m 2
= →= ∙ Luego: D = 0.1170 m D = 4.61” = 6”
3. Cálculo de la Altura que evite la entrada de aíre: a) Primer Criterio:
Salida (S)
P E
V E 2 2 g
Z C
P S
V S 2 2 g
Z S h f h L
Condición para que no entre el aíre: P E = PS VE = 0 m/seg hf = 0 m hL =0.5 VS2/2g Luego: ZC - ZS = 1.5 V S2/2g = h VS = Q/A = 2.496 m/seg h = 0.48m < 1.50 m b) Segundo Criterio: h = 0.543 VD 1/2 (Para salida puntual) h = 0.724 VD 1/2 (Para salida lateral del flujo) El valor obtenido por "h" debe satisfacer la ecuación de POLIKOVK para evitar la formación de remolinos.
Dónde:
. 0. 5 0 ℎ> / …1 D: Diámetro de la tubería = 6”
V: Velocidad de la tubería = Q/A = 2.496 m/seg h: Carga de agua necesaria para evitar cavitación. Considerando una salida lateral del flujo: h = 0.71 m < 1.50 m
En (1) h = 0.033 m < 1.50 m Con las comprobaciones realizadas observamos que todos los valores son menores a la dimensión admitida: 1.50 m Finalmente el valor mínimo de "h" es: 0.71 m < 1.50 m
4. Cálculo de la tubería de desagüe o de limpieza:
=()∙1. 5
Dónde:
Qs: Caudal de salida (m 3/seg) Va: Volumen almacenado (m 3) = 5.464 m 3 t: tiempo de salida (seg) = 2 min = 120 seg Qaforado: Caudal aforado (m 3/seg) = 0.00539 m 3/seg
=(5.120464)∙1.5 =0.06830 /
Para calcular el diámetro de la tubería de desagüe lo realizaremos como orificio de pared gruesa (boquilla), donde el caudal viene expresado por:
=∙∙ √ 2 Dónde: C: Coeficiente de gasto… C = 0.82
g: gravedad = 9.81 m/seg 2 H: Carga sobre la tubería = 1.60 m Entonces:
A = 0.0149 m 2
= 4 →= 4 ∙ Luego: D = 0.1376 m D = 5.42” = 6”
5. Cálculo de la tubería de Rebose:
á =45.53 /
Suponiendo una velocidad de evacuación:
V = 2.00 m/seg Usando la ecuación de compatibilidad.
=∙=∙ 4 = D = 0.1703 m D = 6.70” = 8” 6. Cálculo de la tubería de Ventilación: Se hará uso de un tubo de PVC de D = 2 '', sobresaliendo 50 cm y en cuyo extremo se colocara un sombrero de ventilación.
Es una estructura que permita recolectar el agua, para que luego pueda ser conducida mediante las tuberías hacia el reservorio de almacenamiento.
El diseño hidráulico y dimensionamiento de la captación dependerá de la topografía de la zona, de la textura del suelo y de la clase de manantial; buscando no alterar la calidad y la temperatura del agua ni modificar la corriente y el caudal natural del manantial, ya que cualquier obstrucción puede tener consecuencias fatales; el agua crea otro cauce y el manantial desaparece.
Es importante que se incorporen características de diseño que permitan desarrollar una estructura de captación que considere un control adecuado del agua, oportunidad de sedimentación, estabilidad estructural, prevención de futura contaminación y facilidad de Inspección y operación.
