SEMINARIO
DISEÑO DE SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE EXPOSITOR : INGº CIVIL VIA Y RADA VALLADOLID, FLAVIO FLAVIO J. J.
DISTRIBUCION GLOBAL DEL AGUA Del total de agua de la Tierra, 11,,386 ,386 millones de kilóm kilómetros etros cúbicos ((332 332. 332.5 .5 millones de millas cúbicas), alrededor alrededor de un 96 por por ciento, es agua salada salada.. Del agua dulce total, un 68 por por ciento está confinada en los glaciares y la nieve nieve.. Un 30 por por ciento ciento del agua dulce está en el suelo suelo.. Las fuentes superficial superficiales es de agua dulce, como lagos y ríos, solamente corresponden corresp cor responde ondenn a unos 93 93,,100 ,100 kilómetros cúbicos ((22 22, 22,300 ,300 millas cúbicas), lo que representa un 11//150 /150 del uno por por ciento del total del agua agua.. A pesar pesar de esto, los ríos y lagos son la principal principal fuente de agua que la población población usa a diario diario..
FUENT ENTES DE AGU AGUA
(a) (b) (c) (d) (d) (e) (f) (g) (g) (h) (h)
R ío ío o lago, fuente de recarga de acuífero Suelo uelo poroso poroso no saturado Suelo uelo poroso poroso saturado Terr Te Terreno rren enoo impermeable Acuífero no confinado Manantial P Pozo ozoo Sanitario o Noria oz P Pozo ozoo Artesiano oz
CALIDAD DEL AG AGU UA IONAL LES E INT INTERNACIONA IONAL LES NORMAS NACIONA
LEY GENERAL GENERAL DE AGU AGUAS ORGANIZACIÓN MU MU N ND DIA IAL L DE LA SALUD SALUD (OMS OMS)) ORGANIZACIÓN PANAMERICANA DE SALUD SALUD (OPS)
PARAME ARAMET TROS
o o o
BACTERIO ERIOLÒ LÒGI GICOS FÌSICOS QUÌMICOS PRESENCIA DE MET ME TALES
CONSTANCIA DE EXISTENCIA Y DISPONIBILIDAD DEL RECURSO HIDRICO
AFORO DEL AGUA
¿QUE ES EL AFORO DEL AGUA? El aforo es el procedimiento procedimiento de medir medir un caudal, mediante el cual podemos determinar podemos determinar la cantidad de agua que esta circulando en un punto determinado de nuestros canales, riachuelos, punto riachuelos, quebradas, quebradas, etc etc.. Para poder poder realizar realizar un aforo es necesario conocer conocer el área de la sección transversal del cauce de la corriente de agua y la velocidad con la que esta avanza. avanza. Q=AxV Q = Caudal o Gasto.
A = Área de la sección transversal. V = Velocidad media del agua en el punto.
¿QUE MÉTODOS DE AFORO SE PUEDEN EMPLEAR? Son varios los métodos que se pueden pueden emplear emplear para para aforar aforar el agua, los más usados en nuestro medio son los siguientes siguientes::
a) Método usando dispositivos especiales tales como como:: a.1. VER TEDEROS. EDEROS.- Estos pueden pueden ser ser triangulares, triangulares, rectangulares rectangulares y trapezoidales, sobre estos últimos los más conocidos son los llamados ³Cipolleti´. ipolleti´. La ecuación general de los vertederos es es:: N
Q=KLH
Donde: Q = Caudal; K , N = coeficientes; L = Longitud de cresta H = tirante de agua a.2. CANALETAS. ANALETAS.- Tienen formas alargadas alargadas;; en este grupo se encuentran los medidores tipo ³Parshall´, ³RBC´. ´. Para aforar, basta basta con conocer conocer la altura que tiene el agua que discurre por estos por estos dispositivos, con esta altura se recurre a unas tablas elaboradas para para cada uno de ellos donde se determina la cantidad de agua circulante circulante.. Estos dispositivos son los más recomendables por por su precisión y facilidad en la lectura. lectura. Estos dispositivos son fáciles de construir y pueden construir pueden ser ser de fierro, ladrillo o concreto. concreto.
b) Método usando Orificios: Un orificio no es más que la abertura de una compuerta cuando esta se levanta mediante el timón de maniobras. Por la acción de la altura del agua, por este orificio o abertura empieza a circular el agua de un lado a otro de la compuerta. La ecuación general del orificio es Q ! CA 2 gh
Q = Caudal G = gravedad
C = Coeficiente. h = tirante de agua
A = Área
c) Método usando el Correntómetro: orrentómetro: El correntómetro es un instrumento que se usa para para medir medir la velocidad del agua que circula en los canales, cauces de los ríos, quebradas, etc etc.. Tiene la ventaja de ser ser transportable, sin embargo su operación tiene que estar estar en manos de personal personal debidamente entrenado entrenado..
Estos correntómetros se calibran en laboratorios de hidráulica, una formula de calibración es la siguiente: siguiente: V=an+b Donde:: Donde V es la velocidad del agua, en m/ s n es él numero de vueltas de la hélice por por segundo segundo.. a es el paso paso real de la hélice en metros metros.. b es la llamada velocidad de frotamiento en m / s punto, para para Como el correntómetro mide la velocidad en un punto,
obtener la velocidad media de un curso de agua se deben en obtener ciertos casos, medir medir la velocidad en dos, tres o más puntos, puntos, a diversas profundidades profundidades a lo largo de una vertical y a partir partir de la superficie del agua agua..
d) Método del flotador flotador:: Cuando no se dispone de ninguno de los dispositivos de medición antes señalados, se puede puede recurrir recurrir a este método, por ser por ser práctico práctico y fácil de realizar realizar.. Para este método método se necesita de un flotador flotador (que puede puede ser ser una pelotita pelotita de de plástico, una pequeña pequeña madera, o una hoja de algún arbusto arbusto;; también se necesita de un reloj (para medir medir el tiempo de recorrido del flotador) flotador).. El grado de precisión precisión no es tanto como el de los métodos anteriores anteriores.. Él calculo consiste en en:: Q=Axv v=e/t v es la velocidad en m / s e espacio recorrido en m del flotador por el flotador t tiempo en segundos del recorrido e por A Área de la sección transversal Q Caudal
e) Mètodo usando Limnìgrafo o Limnìmetro Limnìmetro:: El aforo con estos instrumentos se realiza cuando se necesita realizar un registro constante de la cantidad de agua que circula realizar por por grandes grandes canales o ríos. ríos. El Limnígrafo cuenta además con un dispositivo reloj que grafica la cantidad de agua durante las 24 horas. horas. f) Método Volumétrico Volumétrico:: Se emplea por lo general para caudales muy pequeños y se requiere de un recipiente para colectar el agua. El caudal resulta de dividir el volumen de agua que se recoge en el recipiente entre el tiempo que transcurre en colectar dicho volumen. Q=V/T Q: Caudal l/s V: Volumen en litros T: Tiempo en segundos
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE Conjunto de estructuras, instalaciones, equipos y servicios; servicios; que dará
servicio a una población población en
forma continua y de buena buena calidad. calidad. CAPTACION
Fuente sub -superficial Qmd L.C. por gravedad Qmd
CAPTACION
Fuente superficial Qmd
RESERVORIO
PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA CRUDA L.C. de agua cruda Qmd
Qmh Qmd + Qci Qmín
L.C. de agua tratada Qmd
Estación de Bombeo CAPTACION
RED DE DISTRIBUCION
Línea de Impulsión L.C. por bombeo 24 Qb = ----- x Qmd N
Línea de Aducción Qmh Qmd + Qci Qmín
Fuente Subterránea Pozo Profundo
PRODUCCION
DISTRIBUCION
DISEÑO DE SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE
VARIABLES: Población Actual ( Nº habitantes, número de familias, etc.) Tasa de Crecimiento Poblacional (INEI) Periodo de Diseño (t:20 años) Población Futura (Pf): Método Aritmético, Interés Simple, Geométrico, de la Parábola, de los Incrementos Variables, de la Curva Normal Logística, de los Mínimos Cuadrados, de la Parábola Cúbica Dotación (RNE: lt/hab/día)
Clima frío: 180 lt/hab/día Clima templado y cálido: 220 lt/hab/día A bastecimiento indirecto por surtidores o piletas: 3030-50 lt/hab/día
ESTR UCTURAS DE CAPTACIÒ N (FUENTES DE AGUA)
SUB SUPER FICIALES MANANTIALES (Afloramiento Concentrado) LADERA FONDO GALERIAS FILTRANTES (Afloramiento Difuso)
Estas fuentes generalmente abastecen a poblaciones poblaciones rurales debido a sus pequeños caudales. caudales.
DEBEN GARANTIZAR COMO MINIMO LA DEL CAPTACION MAXIMO CAUDAL DIARIO
SUPER FICIAL O ABIER TA RIOS LAGOS EMBALSES
NECESARIAMENTE REQUIEREN TRATAMIENTO
OTRAS VARIABLES QUE INFLUYEN EN EL DISEÑO DE CAPTACIONES:
-Caudal de diseño -Materiales a emplear
-Topografía del terreno. -Tipo de terreno.
SUBTERRANEAS NORIAS O POZOS SANITARIOS (H<7.00M.) POZOS PROFU NDOS
AGUA DE LLUVIA
OBRAS DE CONDUCCION SON ESTR UCTURAS QUE TRANSPOR TAN EL AGUA DESDE LA CAPTACION HASTA LA PLANTA DE TRATAMIENTO O A UN U N RESERVORIO, DEBEN TENER CAPACIDAD PARA CONDUCIR COMO MINIMO, EL CAUDAL MAXIMO DIARIO Qmd = Qp * K 1 Qf Qf > Qmd ok!! Qf < Qf < Qmd servicio restringido, buscar mas fuentes. buscar fuentes. Donde:: Donde Qmd Caudal máximo diario Qf Qf Caudal de la fuente Qp Caudal promedio promedio Qp = Pf Pf.. x Dot Dot.. K 1 Coeficiente de variación de consumo diario (RNE:: 1.3) (RNE
Pérdida de carga o pérdida de presión: (hf + hl) Por fricción (hf) : f(diámetro (D), longitud Por (L),velocidad media en la tubería (V), rugosidad absoluta de la tubería (K s), gravedad (g), densidad (p) y viscosidad del fluido (u))
Localizadas o pérdidas menores (hl): válvulas y accesorios: V 2 hl ! K
2 g
Donde: K :Constante V:Velocidad g: Gravedad
TIPOS DE CONDUCCION: ION:
POR GRAVEDAD ( CANALES) POR Velocidad Mínima Mínima:: 0.60 m/seg m/seg.. Secciones variables variables:: Circular, rectangular, trapezoidal, etc etc.. Materiales Materiales:: Concreto, PVC, hierro dúctil, acero, HDPE, etc etc..
El cálculo se puede puede realizar realizar empleando la Fórmula de Manning Manning:: AR 2 / 3 S 1/ 2 Qmd ! n Donde:: Qmd Caudal máximo diario (m Donde (m33/seg /seg..) A Área de la sección (m (m22.) R R R adio Hidráulico (m (m..) R =A/pm pm pm Perímetro Perímetromojado S Pendiente del fondo (adimensional) n Coeficiente de rugosidad (PVC:0.010 Hierro Fundido y Concreto: oncreto:0.015) 015)
A PRESION (TUBERIAS): Velocidad mínima: 0.60 m/seg. Velocidad máxima: Concreto: 3 m/seg. PVC 5 m/seg. Para el cálculo de las tuberías se recomienda el uso de la Fórmula de Hazen y Williams:
2 . 63 0 . 54 Qmd ! 0.0004264 CD S
S !
Donde: Qmd Caudal máximo diario (lt/seg.) D Diámetro (pulgadas) S Pendiente (m/km.) C Coeficiente de Hazen y Williams
h f L
¨ ( pie ¸ ©© ¹ se g . ¹ ª º
Coeficientes de Fricción ³C´ 150 PVC
Acero 120 Hierro100 Hierro 100 R estricciones: El diámetro debe ser superior o igual a 2 pulgadas. La velocidad en las tuberías se debe limitar a 3 m/s. OTRAS FORMULAS: Fórmula de DarcyDarcy-Weisbach: f: factor de fricción de Darcy ( Nº R eynolds) L: Long. del tramo de tubería 2 L D: Diámetro de tubería h f ! f 2 g V: Velocidad media
TUBERIA PVC SAP NTP ISO 4422
PLANTAS DE TRATAMIENTO PRE SEDIMENTACION AEREACION PRE CLORACION COAGULACION SEDIMENTACION FLOCULACION DECANTACION FILTRACION RAPIDA FILTRACION LENTA ABLANDAMIENTO CLORACION
SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE Conjunto
de tuberías, accesorios accesorios y estructuras estructuras;; que iniciándose en el tanque de regulación conducen conducen el agua hacia las tomas domiciliarias e hidrantes públicos, públicos, para para el consumo doméstico, público, público, comercial, industrial y para para condiciones condiciones extraordinarias como incendios u otros otros.. ESQUEMAS
ÁSI
SISTEMA RAMIFICADO
S
E
EDES DE DISTRI UCIÓ
SISTEMA EN MALLAS
Reservorio
Reservorio
Tubería Troncal
Tubería de aducción
Tubería principal
Ramal
Mallas
Ramal
Ramificaciones
Puntos muertos Válvulas de purga
Tubería secundaria
REDES DE DISTRIBUCION
CAUDAL DE DISEÑO:
Se calculará con la cifra que resulte mayor mayor al comparar comparar el gasto máximo horario con la suma del gasto máximo diario mas el gasto contra incendios para para el caso de habilitaciones que considere demanda contra incendio incendio.. Qmh vs vs.. Qmd + Qi Qmh= Qp * K 2 (K 2: 1.8 ±± 2 .5) PRESIONES:: PRESIONES En condiciones de demanda máxima horaria , la presión presión dinámica no será menor menor de 10 m. y la presión presión estática no será mayor mayor de 50 m. en cualquier cualquier punto punto de la red red.. En caso de abastecimiento abastecimiento de agua por por piletas, piletas, la presión presión mínima será 3.50 m. a la salida de la pileta. pileta.
Reser ri E hf
EH
LEH si
P
Pmáx = 50 m.c. . LCE Zona
Pr si n I
CRP -
LEH
Línea
LEH c
P
RP - PRV
Pmáx = 50 m.c.a.
e Ener ía Hi r áulica
Línea e Car a Estática Pér i a hf car a Pmáx Pr si Di ámic Máxima CRP - VRP - PRV Cámar a Reductor a de Pr esi n
hf
LCE
Zona
Pr si n II
DIAMETRO MINIMO: El diámetro mínimo será de 3´ para para uso de vivienda y de 6´ para para uso uso industrial industrial.. En casos casos excepcionales, podrá podrá aceptarse tramos de 2´, con una longitud máxima de 100m 100 m. si es alimentada por por un solo extremo, o 200 200m m. Si es alimentada alimentada por por los dos extremos. extremos. En los casos casos de abastecimiento por por piletas piletas el diámetro mínimo será de 1´.
VELOCIDAD: IDAD:
La velocidad máxima será de 3m/seg m/seg.. No se permitirán permitirán puntos puntos muertos muertos en la red, debiendo terminar necesariamente en válvulas de purga. purga.
CÁLCULO HIDRÁULICO DE REDES DE DISTRI UCIÓN DE AGUA LEYES
Primera Ley
UNDAMENTALES ARA UNA RED MATRIZ
de Kirchoff - Condición de Continuidad
La suma de los gastos que entran y salen de un nudo es igual a cero
m 7 j=1
Donde:
Qij
+ qi = 0
-
Qij =
Caudal en el tramo ij
- qi = Demanda en el nudo i - m = Cantidad de nudos que concurren al nudo i
i = 1, 2, 3, . . . . n
- n = Cantidad es la cantidad de nudos -
Qij
= 0 , si no existe conexión entre los nudos i y j
qi Q1
Q3 Nudo i
Q2
Q1
+ Q2 - Q3 + qi = 0
LEYES
Segunda
UNDAMENTALES ARA UNA RED MATRIZ
Ley de Kirchoff - Condición de Conservación de Energía
La suma de las pérdidas de carga en los tramos de un circuito cerrado es igual a cero
m 7 j=1
hf j = 0
- Donde: - hfj = Pérdida de carga en el tramo ij - m = Cantidad de tramos en el circuito
Para cada uno de los circuitos cerrados
1
2
hf 12
hf 23
hf 13
hf 12 + hf 23 - hf 13 = 0
3
LEYENDA
ESQUEMA DE UNA RED MATRIZ
N-04
y
T-08 Q-08
q4 y q5
N-05
Nudos Numer aci
n de Tr amo Caudal del Tr amo T-8 Caudales de influencia de los nudos
PREDIMENSIONAMIENTO DE LA RED MATRIZ Consiste
en el dimensionamiento de los tramos (Diámetro). Para ello se asume que el consumo de agua se da a través de los nudos ( Caudales de Influencia).
CÁLCULO DE LOS CAUDALES DE INFLUENCIA DE LOS NUDOS (qi)) Gasto por unidad de lote o conexión
Gasto por unidad de longitud Gasto por unidad de área ± Método de Áreas CÁLCULO DE LOS DIÁMETROS TENTATIVOS DE LOS TRAMOS Método de la Velocidad
Método de la Gradiente Método de la Pendiente Uniforme
CÁLCULO DE LOS CAUDALES DE INFLUENCIA MÉTODO DE ÁREAS
Reservorio
Nudo
Ar
1
2
q
A-02
A-06
3
2
q6
4
Red Matriz
5 6 7 8
A-04
A-05 Mediatri es
q
q
5
9
q
TOTAL
3
A-03
4
9
7
A-07
q
8
A-08
A-09
Caudal de
A- 2 A- 3 A- 4 A- 5 A- 6 A- 7 A- 8 A- 9 AT
q2 q3 q4 q5 q6 q7 q8 q9
QD
AT Ai A r ea Total = A r ea de Ser icio QD qi Caudal de Diseño AT Ai A r ea Total = A r ea de Ser icio qi qu Ai Caudal de Influencia del nudo "i" qu QD / AT Caudal Unitar io
q q
de Influencia
de cada nudo (Ai ) Influencia (qi)
Límite de Ar ea de Inf luen ia
qi Residen ial
Industrial
Comer i l
i
CÁLCULO DE LOS DIÁMETROS TENTATIVOS DE LOS TRAMOS MÉTODO DE LA GRADIENTE Tr
o
audal no r eal del tr
o (Q )
ám etr o tent t vo del tr mo (
1
Q1
1
2
Q2
2
)
da t r mo:
t os de
Q
udal no r eal del tr mo oef ente de f r
n p r la fó r mula de H zen y W lliam
Gr diente hidr áulico [2 - 5 %o ]
Q
4
Q4
4
5
Q5
5
6
Q6
6
sumimos:
p
plicando la fór mula de H zen y W illiam
= 2.26 (Q )
Q
4 %o
.38
Fór mula deducida de la fó r mula de H zen y William
8
Q8
8
Di
iámetr o tent tivo del tr mo i" en pulgadas
9
Q9
D9
Qi
audal no r eal del tr mo "i" en litr os/segundo
...
...
...
FÓRMULAS UTILIZADAS EN EL CÁLCULO DE RESISTENCIA AL FLUJO EN CONDUCTOS A PRESIÓN L
1) Fór mula de Dar y - Weisbach
hf
2
f ------ -------2g D
hf = m Qn
Donde
L
hf = Pér dida de car ga [m f = Factor de fricción [sin d imensiones] D = Diámetr o [m]
m = . 827 f -------D n =2
L = Longitud del tubo [m ] V = Velocidad media de flujo [m s]
G = aceler ación de la g r avedad [m s ] k = r ugosidad Re =
Númer o
de Reynolds
Q = Caudal (m3 s)
64
Poiseuille (1846). Par a tubos lisos y r ugosos en la zona laminar, donde el númer o de Reynolds no r ebasa e l valor crítico 23 00
f = ------Re
Re
1
f
------ = 2 log -----------f
2 51
1
3 71 D
------ = 2 log -----------f 1
(1920). Tubos lisos - zona tur bulenta, hasta valor es de N° Reynolds = 3 x 106
Nikur adse
(1920). Tubos r ugosos - zona tur bulenta.
k
{
------ = - 2 log f
Nikur adse
k
-----------3 71 D
2 51
}
------------Re
f
Colebr ock ± W hite pr esentar on esta f ór mula par a la zona de tr ansición de flujo laminar a tur bulento en tubos comerciales.Diagr a ma de Moody.
FÓRMULAS UTILIZADAS EN EL CÁLCULO DE RESISTENCIA AL FLUJO EN CONDUCTOS A PRESIÓN 2) Fór mula de Hazen - Williams
Q =
.85 C A R0.63 S0.54
Q = 0.278531 C D2.63 S0.54
hf = m Qn L
Donde Q = Caudal [m3 s] C = Coeficiente de r ugosidad [sin d imensiones] A = Ár ea [m 2] R = Radio hidr áulico [m ]
= hf / L = Pendiente [m /m] hf = Pér dida de car ga [m] D = Diámetr o [m] L = Longitud del tubo [m ]
En Re sumen, par a todo conducto a pr esión
n =2
(Fór mula de Dar cy ± Weisbach)
n = 1.85
(Fór mula de Hazen y William)
hf = m Qn
m = 10.64
----------------C1.85 D4.87
n = 1.85
MÉTODOS DE CÁLCULO - MÉTODOS DE ERIFICACIÓN métodos numéricos iter ativos que nos van a per mitir calcular los caudales r eales que circulan en cada una de las tuberías de la r ed de distribución Son
Método de
Har dy Cr oss con corr ección de caudales en los cir cuitos
Método de
Har dy Cr oss con corr ección de cotas piezométricas en los nudos
Método de Linealización
Método
- Teoria Lineal
de Newton Raphson
Método del
Gr adiente (Water CAD)
DIAGRAMA DE FLUJO DEL CÁLCULO DE UNA RED DE DISTRI UCÍÓN DE AGUA Viene
Pr edimensionamiento de la Red Cálculo de los diámetr os de los tr amos
Cálculo Hidr áulico Métodos de Verificación Per miten hallar el flujo r eal por cada tr amo
Cálculo de: Velocidad (V) en los tr amos. Pr esión (P) en los Nudos
No
¿Pr esión? ¿Velocidad?
Sí No
¿Mínimo
Costo?
Sí Va
Pr ogr amas
de Cómputo
ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA El análisis y simulación de redes se realiza para investigar la relación compleja que existe entre las características de la red, la demanda de los consumidores (Doméstico, comercial, Industrial y público), los caudales y cargas en un momento determinado. Básicamente se calcula caudales, presiones y valores asociados en un momento determinado, mediante un cálculo hidráulico. A plicaciones del análisis y simulación de redes: Conocer
el comportamiento de los sistemas de distribución de agua (Estado Estático, Periodo Extendido) Estimación de niveles de servicio. Diseño de nuevos sistemas. Calibración de los modelos existentes. Evaluación dela capacidad de conducción de la red existente. Uso eficiente y/o reforzamiento de las redes existentes. Plan de contingencias. Solución de las redes para diferentes escenarios y alternativas.
PROCESO CONSTR UCTIVO DE SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE
TRAZO Y REPLANTEO DE REDES
EXCAVACION DE ZANJAS Profundidad de Excavación. Entibado de Zanjas.
PER FILADO DE ZANJAS
COLOCACION DE CAMA DE APOYO
INSTALACION DE TUBERIAS
Material zarandeado. Material filtrante (presencia de agua).
Certificación de la tubería
PRIMER RELLENO
Material zarandeado y apisonado(30 cm. sobre la clave del tubo) Dejar libres las uniones
PR UEBAS HIDRAULICAS A ZANJA ABIER TA
Conexiones domiciliarias
F=Pérdida máxima tolerada
F ! ND P
410 * 25
en litros en una hora
N= Número de empalmes D=Diámetro la tubería en milímetros P=Presión de prueba en metros de columna de agua
SEGU NDO RELLENO Material propio seleccionado y compactado. (c/15 cm.)
PR UEBAS HIDRAULICAS A ZANJA TAPADA
RESERVORIOS (ESTR UCTURAS DE CONCRETO ARMADO) DISEÑO DE MEZCLAS DOSIFICACION DE AGREGADOS SLUMP PROBETAS DE CONCRETO INSTALACION DE ACCESORIOS