INTRODUCCIÓN La presente Administración Municipal del Contadero Nariño, en función de mejorar la calidad de vida de la comunidad de sus habitantes, habitantes , ha encomendado la elaboración del proyecto de de Optimización del Sistema de Alcantarillado Urbano de su municipio. El proyecto tiene como fin ser presentados presentados ante el Mecanismos de Ventanilla Ventanilla Única adscrito al Ministerio de Vivienda Vivienda Ambiente Ambiente y Desarrollo Territorial Territorial MAVDT para su viabilización viabilización y de esta forma obtener obtener las diferentes diferentes partidas partidas económicas para para s u ejecución; dentro de este proceso enmarcado en el Plan Departamental de Agua de de Nariño PDA los diseños son previamente entregados a la Gerencia Asesora del PDA de Nariño, para su revisión previa previa presentación presentación ante Ventanilla Ventanilla única única del MAVDT. En el presente proyecto se s e encuentran encuentran contenidos contenidos los parámetros concernientes concernientes al diseño del sistema de alcantarilla alcantarillado do y los lineamientos lineamientos a los que se rige cada uno de los parámetros de diseño se encuentran contenidos contenidos y establecidos por el Reglamento Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico, RAS 2000, emitido por el ministerio de Desarrollo Económico. Igualmente Igualmente se presentan presentan las memorias de diseño hidráulico hidráulico de los componentes componentes relacionados relacionados con el sistema, incluyendo incluyendo las tablas que contiene contienen n los resultado s correspondientes a los cálculos correspondientes. Al momento de requerirse mayor nivel de información o de detalle, deben remitirse a los diferentes informes y planos generados generados durante durante el diseño del del proyecto . A continuación se desarrollan las mismas etapas que se cumplieron en la elaboración del proyecto de acueducto, es decir, diagnóstico, evaluación y selección de alternativas, alternativas, desarrollo desarrollo de los diseños definiti definitivos vos y elaboración de de presupuesto presupuesto . Además en cada una de estas etapas se adelantaron una serie de estudios específicos tales como: redes de alcantarillado, de pozos de inspección, levantamientos topográficos, estudio hidrológico, curvas IDF, elaboración de planos, metodología metodología general general ajustada, entre entre otr os, los cuales se s e encuentran en los demás documentos que conforma el proyecto.
MEMORIAS
DE DISEÑO DEL SISTEMA DE ALCANTARILLADO DEL MUNICIPIO DE EL CONTADERO ± NARIÑO
PARÁMETROS DE DISEÑO ALCANTARILLADO COMBINADO Nivel de Complejidad. La red de alcantarillado se deben regir por las normas del Reglamento Técnico del sector de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS 2000 emitidas por el Ministerio de Desarrollo Económico, y la Resolución modificatoria 2320 del 27 de Noviembre del 2009 emanada del Ministerio de Ambiente Vivienda y Desarrollo Territorial, cumpliendo de esa manera con las exigencias y necesidades del sistema de acueducto y alcantarillado municipal. De acuerdo al RAS, Numeral A.3.1, Niveles de Complejidad del Sis tema, se establece que según con la población proyectada, el municipio de EL CONTADERO se ubica en el Nivel de Complejidad Medio.
TABLA A.3.1 RAS-200 Asignación del nivel de complejidad Nivel de complejidad Bajo Medio Medio Alto
Población en la zona urbana (1) (habitantes) < 2500 2501 a 12500 12501 a 60000
Alto
Capacidad económica de los usuarios (2) Baja Baja Media > 60000
Alta
DOTACION NETA MAXIMA La dotación neta depende del nivel de complejidad del sistema y sus valores mínimo y máximo se establecen de acuerdo con la siguiente tabla: Tabla D.3.6 RAS 2000 Nivel de complejidad del sistema Bajo Medio Medio alto
Dotación neta mínima (L/hab·día )
Dotación neta máxima (L/hab·día)
90 115 125
100 125 135 140
Alto
Tabla Nro. 9 de la Resolución 2320 Nov-27-2009 MAVDT
Se calcula un valor para la dotación neta de 115 l/hab./día teniendo en cuenta que el municipio de Contadero tiene una temperatura media de 11 ºC y por lo tanto es considerado con clima frio, no aplica corrección por esta variable.
150
Se toma como dotación neta 115 L/hab -día Periodo de Diseño El sistema de alcantarillado del Municipio del Contadero, de acuerdo a sus características económicas y demográficas futuras, se encuentra clasificado en el nivel Medio de Complejidad, por lo cual el periodo de diseño de la red matriz y de la red secundaria de 15 años, según lo establecido en los numerales D.2.2.3. de la Norma RAS 2000, sin embargo, el diseño contempla la optimización de un tipo de red que funciona como colector principal por lo que según la misma Norma el periodo de diseño debe ser de 25 años para cualquier nivel de complejidad. Teniendo en cuenta lo anterior, se trabajó con este último dato para el cálculo de los caudales y el respectivo diseño. Nivel de Complejidad Sistema Bajo, Medio y Medio alto
del
Periodo de Diseño M áximo 25 años
Alto
. 30 años
Nota: Para colectores principales o emisarios finales el periodo de diseño mínimo debe ser 25 años, para cualquier nivel de complejidad. Resolución 2320 27Nov./2003 MAVDT DOTACION BRUTA Se calcula conforme a la siguiente ecuación:
Db
Dn !
1
% p
Donde: Db
= Dotación bruta
Dn
= Dotación neta
%p
= pérdidas técnicas máximas admisibles
El porcentaje de perdidas técnicas máximas admisibles en la ecuación anterior no deberá superar el 25% Entonces.
VARIABLES CONSIDERADAS PARA EL CÁLCULO HIDRAULICO
Coeficiente de retorno (R)
80%
Densidad de Población (D)
176 hab/Ha
Área habitada (A)
14,31 Ha
Población servida
3.115 hab.
Dotación para consumo (Estimado ) (C)
153.33 L hab/día
Coeficiente aporte sector Institucional (Ins)
0,5 lps/Ha
Tamaño promedio institución (Insi)
0,05 Ha
Aporte por infiltración media (Inf)
0,30 lps/Ha
Aporte por aéreas Institucionales
0.5 lps/Ha
Aporte por aéreas Industriales
0.6 lps/Ha
Aportes por aéreas Comerciales
0.5 lps/Ha
DOTACIÓN (CONSUMO MEDIO DIARIO POR HABITANTE) Para el nivel de complejidad del sistema Medio, se tiene: Dotación neta mínima,
C = 115 l/hab/día
Caudal medio de aguas residuales Con base en lo afirmado en el RAS, numeral D.3.2.2.1., se calculó el caudal medio de aguas residuales con la siguiente ecuación:
Siendo, C= dotación neta corregida P=población R=coeficiente de retorno, 0,8 el cual se dete rminó de la siguiente tabla Nivel de Complejidad
Coeficiente de Retorno
Bajo y Medio
0.7 ± 0.8
Medio alto y Alto
0.8 ± 0.85
Debido a que no toda el agua que suministra el acueducto a una vivienda v al alcantarillado ya que parte de la misma se utiliza en riego de jardines, lavado de pisos, evaporación, etc., se debe establecer una relación entre el caudal que va a la alcantarilla y la dotación de agua potable en la zona de estudio. Teniendo en cuenta lo anterior esta relación para el Municipio de Contadero será de 0.80. Obteniendo pera el periodo de diseño:
E n
el Anexo No.1 se presenta el cálculo de caudales para cada año durante el periodo de diseño.
Factor de Mayoración de Harmon Con base en lo afirmado en el RAS, numeral D.3.2.4., se calculó el caudal factor de Harmon con la siguiente fórmula:
F=Factor de Mayoración de Harmon P=población/1000 .
Este valor corresponde al Factor de Mayoración para el periodo de diseño. En el Anexo No.1 se presenta el cálculo para cada año, durante el periodo de diseño. Caudal Máximo Horario de Aguas Residuales Con base en lo afirmado en el RAS, numeral D.3.2.3., se calculó el caudal máximo horario, a partir del caudal final medio diario y el factor de Mayoración F.
QMH = F * Q MD QMH = Caudal máximo horario. F = F actor
de Mayoración de Harmon
QMD = Caudal medio de aguas residuales.
(Cap D.3.2.3 RAS 2000)
QMH = F .QMD = 3.31l / s *3.5 =11.59 l/s
Densidad Poblacional. Los sistemas de recolección y evacuación de aguas residuales y pluviales deben diseñarse para la máxima densidad de población futura o densidad de saturación, la cual depende de la estratificación socioeconómica, el uso de la tierra y el ordenamiento urbano. La densidad poblacional futura está determinada de acuerdo con la ecuación:
siguiente
El área total futura de l municipio de San José es de 17.7 Has. Por lo tanto:
Aportes por Infiltración Con base en lo afirmado en el RAS, numeral D.3.2.2.7. y tomando el nivel de complejidad correspondiente a l Contadero el Aporte por infiltración media (Inf) 0,30 lps/Ha Nivel Complejidad Bajo y M edio Medio alto y Alto
de Infiltración Alta Infiltración Media Infiltración Baja (L/s-ha) (L/s-ha) (L/s-ha) 0.15 0.4 0.1 ± 0.3 0.05 ± 0.2 0.15 ± 0.4
0.1 ± 0.3
0.05 ± 0.2
Para el periodo de diseño se tiene como caudal de infiltración: QINF = (11.59) * 0.3 = 3.48 l/s En el Anexo No.1 se presenta el cálculo para cada año, durante el periodo de diseño. Caudal de Diseño de aguas residuales. El caudal de diseño de cada tramo de la red de colectores se obtiene sumando al caudal máximo horario del día máximo, QMH y los aportes por infiltraciones .
QAR = Q MH + QINF + QINST + QIND + QCO [l /s /Ha]
(Cap D.3.2.2.5 RAS 2000)
Este caudal es el correspondiente a las contribuciones acumuladas que llegan al tramo hasta el pozo de inspección inicial, cuando el caudal de diseño calculado en el tramo sea inferior a 1,5 L/s, se toma este valor como caudal de diseño. QMH= Caudal máximo horario QINF= Caudal de infiltración
QCe= Caudal de conexiones erradas
Q AR = 11.59 + 3.48 + 0.5 + 0.6 + 0.5 = 16.6 7 l/s
MÉTODO
DE CÁLCULO HIDRÁULICO SANITARIO
Todos los colectores se diseñaron como conducciones a flujo libre por gravedad, considerando que dicho flujo es uniforme a través de ellos. Por lo anterior es aplicable la ecuación de Manning para el cálculo hidráulico de los colectores: V=(R^(2/ 3)·S^(1/2))/ n Donde, R = Radio hidráulico [ m ] S = Pendiente n = Coeficiente de rugosidad El coeficiente de rugosidad del interior de un colector, debe representar las condiciones de servicio que se presentarán durante la vida útil (Cap. D.2.3.3 RAS 2000). Con base las especificaciones de la Norma RAS 2000, se determina los coeficientes de rugosidad de acuerdo con el material de las tuberías: Concreto: PVC estructurada:
n= n=
0,013 0,010
ESPECIFICACIONES Variable Velocidad mínima a tubo lleno Fuerza Tractiva mínima Velocidad máxima real Velocidad mínima real Profundidad Hidráulica Máxima
Especificación Norma RAS-2000 Titulo D 0.60 m/s Capitulo D.3.2.7 0,15-0,30 Kg/m2 Capitulo D.3.2.7 5 m/s Capitulo D.3.2.8 0,45 m/s Capitulo D.3.2.7 70-85% Capitulo D.3.2.11
Con las variables anteriores se procede a realizar el cálculo de los aportes de caudal a cada tramo, colectores finales emisarios y descargas finales. En las Tablas anexas Alcantarillado Sanitario se obtienen los resultados de la red como Sistema Sanitari o. Una vez que se obtenga los caudales de aguas residuales hace falta calcular los caudales pluviométricos para obtener los caudales combinados y así determinar el comportamiento hidráulico de cada tramo.
Como el alcantarillado sanitario de Contadero es combinado, con poca presencia de sumideros ubicados en la parte final de los tramos rectos, es necesario calcular el caudal pluviométrico generado. Para ello es necesario tener en cuenta los siguientes criterios: CÁLCULO DE CAUDALES PLUVIALES METODO RACIONAL Es un modelo empírico simple utilizado en el diseño de sistemas de drenaje urbano con áreas relativamente pequeñas < 40 Has Se calcula el caudal pico de aguas lluvias utilizando la intensidad media del evento de precipitación, con una duració n igual al tiempo de concentración del área de drenaje y un coeficiente de impermeabilidad. El caudal pico ocurre cuando toda el área de drenaje está contribuyendo, para lo cual dicho caudal es una fracción de la precipitación media bajo las siguientes suposiciones: 1. El caudal pico de escorrentía en cualquier punto es función directa del área tributaria de drenaje y de la intensidad de precipitación promedio durante el tiempo de concentración en ese punto. 2. El periodo de retorno del caudal pico es igual al periodo de retorno de la intensidad promedio de precipitación o evento de precipitación. 3. La lluvia se distribuye uniformemente sobre el área de drenaje. 4. La intensidad de la lluvia permanece constante durante un periodo de tiempo igual al tiempo de conce ntración. 5. El tiempo de concentración puede ocurrir en cualquier momento durante la lluvia, en el comienzo, en la mitad o en el final de esta. 6. El método racional supone que la relación entre la lluvia y la escorrentía es lineal. 7. El coeficiente de impermeabilidad es constante para lluvias de cualquier duración o frecuencia sobre el área de drenaje. El método más usado para el cálculo del caudal máximo en un alcantarillado pluvial es el método racional. El cual tiene como objeto estimar el caudal m áximo de aguas lluvias que llegan a un punto de diseño o estructura; se supone que dicho caudal es proporcional: a) El área de desaguada afectada por un coeficiente de reducción llamado Coeficiente de Escorrentía. b) La intensidad promedia de lluvia caída en un periodo de tiempo llamado Tiempo de Concentración. El caudal pluviométrico se calcula mediante la siguiente ecuación: Q = 2.78 C I A
Donde: Q = Caudal máximo de aguas lluvias que fluyen por un alcantarillado, en Lts/seg. A = Área tributaria de drenaje, en Ha I = Intensidad de la lluvia, en mm/h C = Coeficiente de escorrentía, adimensional Periodo de retorno : El periodo de retorno de diseño debe determinarse de acuerdo con la importancia de las áreas y con los daños, perjuicios o molestias que las inundaciones periódicas puedan ocasionar a los habitantes, tráfico vehicular, comercio, industria, etc. La selección del periodo de retorno está asociada entonces con las características de protección e importancia del área de estudio y, por lo tanto, el valor adoptado debe estar justificado. En la tabla D.4.2 se establecen valores de periodos de retorno o grado de protección. RAS D.4.3.4 Nariño PERIODO DE RETORNO O GRADO DE PROTECCION Mínimo Aceptable Características de área de drenaje (años) (años)) Tramos iniciales en zonas residenciales con aéreas 2 2 tributarias menores de 2 Ha
Recomendado (años) 3
Tramos iniciales en zonas comerciales o industriales con aéreas tributarias menores de 2 Ha
2
3
5
Tramos de alcantarillado con aéreas tributarias entre 2 y 10 Has Has
2
3
5
Tramos de alcantarillado con aéreas tributarias mayores a 10 Has
5
5
10
10
25
25
25
25
25
Canales abiertos en zonas planas y que drenen aéreas mayores a 1000 Has. Canales abiertos en zonas montañosas o a media ladera y que drenen aéreas mayores a 1000 Has. TABLA PERIODO DE RETORNO
CURVAS IDF Las curvas IDF sintetizan las características de los eventos de precipitación externos en una zona determinada y establecen la intensidad media de lluvia para diferentes duraciones de eventos de precipitación con periodos de retorno específicos. Las curvas de intensidad duración frecuencia se generan utilizando ecuaciones que relacionan la intensidad de lluvia y su duración: Curva IDF para Contadero que se puede representar mediante la siguiente ecuación:
I ! Donde:
cT r
a
t b n
Tr: Periodo de retorno con Tramos iníciales en zonas residenciales con áreas tributarias menores de 2 ha = 2 años t: Sumatoria de tiempos de entrada (te) y recorrido (tr) a: 0,281 b: 10,63 c: 354,07 Los tiempos de entrada (te) y recorrido (tr) se calculan mediante las siguientes ecuaciones: t e !
0.707 1.1 C L S
t r
t
!
!
1
1
2
3
LC
60 t e
V
t r
Donde: C: Coeficiente de escorrentía = 0,45 L: Longitud del tramo (m) S: Pendiente según cotas clave V: Velocidad según ecuación R: radio hidráulico =D/4 y n: Número de Manning . Datos Pluviográfica para elaboración de la las Curvas IDF
Tr.
Duración en minutos
Años
5
10
20
30
40
60
90
120
2
62
56
47
40
35
28
22
17
5
79
70
58
50
44
35
28
21
10
96
85
70
60
53
43
34
25
20
110
97
81
70
62
51
40
29
50
125
110
92
80
71
59
45
32
100
140
124
105
91
81
66
51
36
Fuente: Eduardo Cabrera Ocaña Hidrólogo.
El tiempo de concentración mínimo en pozos iniciales es de 10 minutos y máximo de 20 minutos. El tiempo de de entrada mínimo es de 5 minutos.
El coeficiente de duración se obtuvo de las series de valores que se señalan en la Tabla anexas , como Alcantarillado Combinado . Las curvas elaboradas para el municipio de Contadero se presentan como documento en las Tablas anexas al presente estudio como Curvas IDF. En el presente caso, se adoptó los valores máximos mensuales de precipitación (mms ) en 24 horas para un período de retorno de 2 años. Datos emitidos por el IDEAM de la información de las estaciones más cercanas al Municipio de Contadero como la Estación del Aeropuerto de San Luis, Estación de Monopamba y estación de Gualmatán. Tablas que se anexan al presente documento, como Información Pluviométrica del IDEAM Coeficiente de Escorrentía El coeficiente de escorrentía se calcula así: C
!
0,14 0,65Ci 0,05S
Donde: Ci: Coeficiente de escorrentía adoptado = 0,45 S: Pendiente En las tablas anexas se presentan los resultados obtenidos al aplicar las ecuaciones anteriores para cada tramo y así obtener el aporte pluvial, que sumado al aporte residual se obtiene el aporte combinado. Los resultados se presentan en las siguientes tablas: El caudal pluviométrico que puede ser evacuado por el alcantarillado combinado de Contadero requiere de la ampliación de los diámetros de los tramos especificados en las tablas anexas. Concluyendo el alcantarillado del casco urbano de Contadero tiene 5 tramo s, que se van sumando unos con otros y antes de llegar a la cámara C -78 ubicada en la vía de salida San Juan se reducen a dos y se depositan en un trayecto de 44.17 metros sobre la UMH Cutipaz. La longitud total de Alcantarillado es 5.703.32 m.l, que cubr en un área de 14.44 hectáreas y sirven a una población de 2.116 habitantes (90.5 % de cobertura del servicio). Por otro lado el comportamiento hidráulico de cada uno de los tramos permitirá determinar la capacidad de evacuación en cada sector y la posibi lidad de saturación en condiciones drásticas. Lo anterior permite determinar los sectores críticos donde se presentan inundaciones por la baja capacidad de evacuación de aguas residuales en unas condiciones establecidas. DETERMINACION DE LAS RELACIONES HI DRAULICAS El funcionamiento hidráulico en colectores obedece a flujos no permanentes (Caudales variables en espacio y tiempo), gradualmente variados (en lamina de agua, velocidades, etc); pero dadas las condiciones de evaluación de los caudales del proyecto (caudales picos máximos). Para el cálculo de la velocidad se utiliza la fórmula de Manning Una vez conocidas las condiciones hidráulicas del colector a tubo lleno, se procede a estimar las relaciones hidráulicas para el caudal se diseño el tramo que permiten verificar las velocidades permisibles y establecer mediante el número de Froude (F), si
Figu Fuente.
Manual de dise
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de alcantarillados sanitariosCorporación Autónoma Re ional para la §
De ensa de la meseta de Bucaramanga. ¨
as relac iones idráulicas en f unc i n del rad io idráulico ob tenidas de l presente ábaco es tán vincu ladas en las tab las de cálcu lo . on el número de roude ) se podrá es tablecer si el rég imen es subcr ítico , ) o supercr ítico , ), condici n ue serv irá de base para el aná lisis idráulico en la un i n de colec tores. P ara ev itar flu jo ines tab le en los conductos , el número de roude debe ser menor de , o mayor de , . a rev isi n de la ve loc idad mínima de un tramo de alcan tar ill ado debe cumpli r las siguien tes condiciones: a ve loc idad mín ima a tubo ll eno Vo) debe ser mayor igua l a
,6 m/seg .
omo complemento a la an ter ior condici n , es necesar io ana lizar la ve loc idad rea l en e l conducto V), la cua l es tará af ec tada por la na tura leza de l agua transpor tada res idua l o p luv ial), las caracter ísticas del ma ter ial arrastrado por el agua, el caudal de d iseño transpor tado , y el dimensionamien to del co lec tor .
Por ta l razón, se debe ver ifi car la velocidad mínima ue ver ifi ue las condiciones de au to limp ieza y ev ite sed imen tac ión en cada tramo del alcan tar ill ado . Esto se rea li za eva luando la uerza de arrastre rac tiva t), definida idráuli camente como la f uerza tangencia l producida por el fl u jo de l aguasobre las pa r tícu las ue componen el per íme tro mo jado del conducto , especialmen te sobre las paredes inter iores donde podr ía ocurr ir la sed imen tac ión .
E:
if erencia de las energías específicas del colec tor de salida y de l colector ue llega con nive l de energía más ba jo a la estruc tura - pozo v 2: abeza de ve loc idad de l co lec tor de sa li da de l pozo v 1: abeza de ve loc idad del co lec tor ue ll ega con co ta de energía más ba ja a la es truc tura - pozo. c: Pérd ida de energía por cambio de alineamien to de l colector pr incipa l, su f orma de es timac ión es tá basada en f un ción de l rad io de curva tura del e je del co lec tor cr ), el cua l puede ser proporcionado por el desarrollo de una curva en e l a li neamien to de la tuber ía o en la cañuela de la es truc tura - pozo, y po r e l diáme tro de salida s) del sistema de alcan tar ill ado . V: Velocidad promedio de l colector pr incipa l llegada y salida) . En la siguien te tab la, se presenta las K, váli do para curvas as ta de o de flex ión , en donde se define e l f ac tor multiplicador K) para e l cá lcu lo de la pérdida c: BL
K
i
l
/D s
l
i K
ayor de
,
1, a
,20
1 ,0 a 1 ,
i
0 ,40
Fuente Reglamento de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS-2000
El resultado de l aná lisis del compor tamien to idráulico y las pos ibles soluc iones se anexan las tablas correspondien tes . os operadores de l servicio púb lico , ven la necesidad de cambiar la tuber ía en concreto a PV , razón por la cua l el ciclo de v ida ú til de la red de alcan tar ill ado a term inado, y po r alguna razón producen und imien tos en la v ía ten iéndose de echo ue cambiar var ios tamos. Además ex isten infiltrac iones de agua res idua l en algunos tramos, tramos con tapones manuales) y es to a su vez pude ocasionar f allas en las d if eren tes ca ll es de l mun icipio .