TALLER 3 ACUEDUCTOS Y ALCANTARILLADOS
CATALINA ALDANA PARRA ESTUDIANTE DE INGENIERÍA
UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA FACULTAD DE ESTUDIOS A DISTANCIA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ 2017
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TABLA DE CONTENIEDO Pág. 1. Aspectos Generales
3-4
2. Selección de la fuente de agua
4
3. Población actual y proyectada de diseño
4
4. Nivel de complejidad del sistema
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5. Determinación de dotación neta máxima, porcentaje de pérdidas y dotación bruta
5-6
6. Determinación del Caudal Medio Diario, Caudal Máximo Diario y Caudal Máximo Horario para cada año proyectado
6-9
7. Levantamiento topográfico de línea de aducción entre el desarenador y la Planta de tratamiento 8. Diseño hidráulico de la línea de aducción entre el desarenador y la PTAP 9. Determinación de la curva de variación horaria de la demanda
9 9-11 11-12
10. Determinación del caudal de incendios y dimensionamiento del volumen de Almacenamiento 11. Diseño de las redes de distribución por Epanet 12. Conclusiones
12-13 13 13-14
13. Recomendaciones
14
14. Bibliografía
15
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ASPECTOS GENERALES El municipio seleccionado es Pacho, ubicado al noroeste del departamento de Cundinamarca y a 88 km de distancia de Bogotá. Al norte limita con los municipios de Villagómez, Topiaipí y San Cayetano. Al sur limita con los municipios de Supatá y Subachoque. Al oriente limita con los municipios de Zipaquirá, Cogua y Tausa, y al occidente limita con los municipios de Vergara y El Peñón.
Ubicación de Pacho en Cundinamarca. Imagen tomada de Wikipedia.
Cuenta con una altura promedio de 1799 m.s.n.m y una temperatura promedio anual de 19ºC. La altura a la que se encuentra la cabecera municipal es de 2136 m.s.n.m. Cuenta con un clima templado y hacia el noroeste cuenta con un clima más lluvioso y cálido. Cuenta con dos temporadas de invierno, una que va de abril a mayo y la otra que va de septiembre a noviembre. Los demás meses del año presenta clima seco.
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Con respecto a la hidrología de Pacho, hay varios ríos que nacen o cruzan por este municipio. El primero de ellos es el río Negro, el cual es el más caudaloso y es un afluente del río Magdalena; y a su vez es el producto de la unión de los ríos Batán y Rute. El río Batán atraviesa el pueblo de nororiente a noroccidente y el río Rute lo hace de suroriente hacia el norte. Existen otros ríos de menor caudal como el río Patasía, el río Minero, el río Amarillo, el río Veraguas, el chorro de Virginia y la quebrada Honda. El área total del municipio de Pacho es de 403,3 Km², de los cuales 3,6 Km² hacen parte de la cabecera urbana. El perímetro urbano cuenta con una longitud de 7,3 Km y el perímetro sanitario tiene una longitud de 6,06 Km. La mayoría del suelo pachuno es utilizado para agricultura (cultivos de papa, maíz, cítricos, entre otros), luego le sigue la ganadería. El área del casco urbano es la que presenta mayor uso residencial y comercial. En el ámbito industrial podría mencionarse la Siderúrgica Corradine. De acuerdo al Plan de Ordenamiento Territorial, se planea contar con una zona de expansión al nororiente de la cabecera municipal, para la construcción de viviendas de interés social. SELECCIÓN DE LA FUENTE DE AGUA De las fuentes naturales con las que cuenta el municipio de Pacho, se seleccionó el río Rute para abastecer a la población, ya que se encuentra a una buena distancia del municipio, ubicado al sur del pueblo. POBLACIÓN ACTUAL Y PROYECTADA DE DISEÑO En el último censo realizado por el DANE, en el año 2015, se tiene como población total del municipio de Pacho a 24776 habitantes (de los cuales 15376
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componen la cabecera municipal). Luego de realizar proyecciones por los métodos aritmético, geométrico, logarítmico y Wappus y un análisis de sensibilidad de dichos métodos, se determinó que la población proyectada de diseño a 25 años, será de 37865 habitantes. Incluyendo la población flotante, entonces la población final proyectada de diseño será de 46527 habitantes. NIVEL DE COMPLEJIDAD DEL SISTEMA De acuerdo a la resolución 2320 de 2009, el nivel de complejidad del sistema de acueducto a diseñar es Medio Alto, de acuerdo a la población actual del municipio (24776 habitantes). DETERMINACIÓN DE LA DOTACIÓN NETA MÁXIMA, PORCENTAJE DE PÉRDIDAS Y LA DOTACIÓN BRUTA La Dotación neta máxima se determina de acuerdo al nivel de complejidad y el clima del municipio, de acuerdo a la clasificación hallada en la tabla B.2.3 del RAS 2010. En este caso, el nivel de complejidad es Medio Alto y el clima del municipio es templado, así que se tiene una dotación neta máxima por habitante de 125 L/hab*día. El porcentaje de pérdidas hace referencia a la diferencia entre el volumen de agua que sale de la planta de tratamiento y el que ingresa en la red de distribución para los usuarios. Se calcula de la siguiente manera:
) ∗ 100 % é () = (−
De acuerdo al Plan Maestro de Acueducto y Alcantarillado del municipio, se tiene
un volumen suministrado de 514.230 m³/s al año y un volumen facturado de 799.500 m³/s al año, se tiene que el porcentaje de pérdidas actual es igual a 35%. Por otra parte, la dotación neta residencial del casco urbano sería igual a 90,07 L/hab*día.
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La Dotación bruta se determina por medio de la siguiente fórmula:
= 1% − é
Para lo cual, primero se calculan las dotaciones netas de acuerdo a lo expresado en el RAS 2010. En este caso se tendrá en cuenta un 10% de la dotación neta residencial para otros usos (institucional, público, comercial, etc.), así que la dotación neta total será igual a 99,077 L/hab*día. Finalmente, se tiene que la dotación bruta, con un IANC igual al 25% es igual a 132,10 L/hab*día DETERMINACIÓN DEL CAUDAL MEDIO DIARIO, CAUDAL MÁXIMO DIARIO Y CAUDAL MÁXIMO HORARIO PARA CADA AÑO PROYECTADO El caudal medio diario (Qmd) se considera el promedio de los consumos de la población proyectada durante 1 año, así:
ó ∗ + = 86400
Aplicando esta fórmula, se tiene que el caudal medio diario en cada año proyectado es igual a: Año
Qmd (m³/s)
2018
39,0566
2019
39,3349
2020
39,6193
2021
39,9083
2022
40,2018
2023
40,5030
2024
40,8119
2025
41,1253
2026
41,4464
2027
41,7736
2028
42,1084
7
2029
42,4509
2030
42,4937
2031
43,1573
2032
43,5227
2033
43,8973
2034
44,2795
2035
44,6709
2036
45,0730
2037
45,4858
2038
45,9063
2039
46,3374
2040
46,7824
2041
47,2380
2042
47,7058
El caudal máximo diario (QMD) se calcula por medio de la siguiente fórmula:
Donde
= 1,3
= ∗
para sistemas nuevos de acueducto, de acuerdo al RAS 2010. Así
que el caudal máximo diario para cada año proyectado es igual a:
Año
QMD (m³/s)
2018
50,7736
2019
51,1354
2020
51,5051
2021
51,8807
2022
52,2624
2023
52,6539
2024
53,0554
2025
53,4629
2026
53,8803
2027
54,3056
2028
54,7409
2029
55,1862
2030
55,2418
2031
56,1044
2032
56,5795
2033
57,0664
8
2034
57,5633
2035
58,0722
2036
58,5949
2037
59,1316
2038
59,6782
2039
60,2387
2040
60,8171
2041
61,4094
2042
62,0176
El caudal máximo horario (QMH) se calcula con la siguiente fórmula:
Donde
2
= ∗2
varía entre 1,3 y 1,7 para sistemas nuevos de acueducto. De acuerdo a
esta información, el caudal máximo horario para cada año proyectado es igual a:
Año
QMH (m³/s)
2018
71,0831
2019
71,5895
2020
72,1071
2021
72,6330
2022
73,1673
2023
73,7155
2024
74,2776
2025
74,8480
2026
75,4324
2027
76,0279
2028
76,6373
2029
77,2606
2030
77,3385
2031
78,5462
2032
79,2113
2033
79,8930
2034
80,5887
2035
81,3010
2036
82,0329
2037
82,7842
2038
83,5494
9
2039
84,3341
2040
85,1439
2041
85,9731
2042
86,8246
LEVANTAMIENTO TOPOGRÁFICO DE LA LÍNEA DE ADUCCIÓN ENTRE EL DESARENADOR Y LA PLANTA DE TRATAMIENTO El levantamiento topográfico de la línea de aducción entre el desarenador y la planta de tratamiento se incluye en uno de los documentos de AutoCAD. Se incluye plancha del IGAC (plancha 208IVB) que muestra las curvas de nivel de esta zona, ya que no fue posible obtener el levantamiento topográfico directamente de la ESP. DISEÑO HIDRÁULICO DE LA LÍNEA DE ADUCCIÓN ENTRE DESARENADOR Y PTAP El diseño de la tubería se realizará con el cálculo por medio del método de DarcyWeisbach. La tubería cuenta con los siguientes datos: Q aducción de diseño (l/s)
129,81
Velocidad (m/s)
2,1807
Diámetro de tubería (mm) Densidad (Kg/m³)
285,8 999,33
Viscosidad cinemática
1,170*10^6
Número de Reynolds
532702
C Hazen-Wiliams (PVC)
150
Pérdidas por accesorios (m)
9,5259
Longitud (m)
2281,6
Temperatura del agua (ºC)
14
10
Caida de la altura piezométrica (m) Pérdidas por fricción (m)
300 3,07921
Recalculando el caudal de diseño, es igual a 139,8 l/s, así que se puede diseñar con dos tuberías en serie para cumplir con el caudal previamente establecido, ya que la diferencia entre el caudal de diseño y el caudal recalculado es del 7%. Para ello, primero se determina el coeficiente de pérdidas Km para la primera tubería, al igual que con la segunda. Después se calcula la velocidad media, las pérdidas menores, el número de Reynolds, la pérdida por fricción y la altura de cada una de las tuberías, obteniendo los siguientes resultados: Velocidad media 1 (m/s)
Velocidad media 1,83643 2 (m/s)
Coeficiente pérdidas menores 1
0,01722 l1
Pérdidas menores 1 (m)
Pérdidas 0,002960 l1 menores 2 (m)
Número de Reynolds 1
Coeficiente pérdidas menores 2
Número de 470880 Reynolds 2
2,644467
0,01722 (L-l1) 0,00613 (L-l1) 565057
Pérdidas por fricción en 1 (m) f 1 (por diagrama de Moody)
Pérdidas por 0,007448 l1 fricción en 2 (m) f 2 (por diagrama de 0,013 Moody)
Altura en 1 (m)
0,010408 l1 Altura en 2 (m)
0,07969 (L-l1)
Diámetro 300 nominal 2 (mm)
250
Diámetro nominal 1 (mm)
Longitud 1 (m)
1799,52 Longitud 2 (m)
0,01839 (L-l1)
0,0129
482,08
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Se reemplaza el valor de la altura total en la siguiente expresión:
= + 2
Y de esta expresión se determina la longitud de la tubería 1, que es igual a 1799,52 m. Luego se determina la longitud de la tubería 2, como la diferencia entre la longitud total y la longitud 1. Es igual a 482,08 m.
2 = −
Por otra parte, el plano del diseño hidráulico de la línea de aducción entre el desarenador y la planta de tratamiento de agua potable, se anexa en uno de los documentos de AutoCAD. DETERMINACIÓN DE LA CURVA DE VARIACIÓN HORARIA DE LA DEMANDA La curva es tomada con los datos del caudal de entrada y salida en la PTAP del municipio. Se tienen los siguientes datos:
Hora
Q ingreso (m³/s)
Q demanda (m³/s)
0
51
14
1
51
13
2
51
12
3
51
11
4
51
13
5
51
16
6
51
39
7
51
52
8
51
58
9
51
65
10
51
68
11
51
64
12
51
62
13
51
59
12
14
51
58
15
51
54
16
51
52
17
51
53
18
51
50
19
51
49
20
51
47
21
51
35
22
51
14
23
51
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De los datos, se obtiene la siguiente gráfica: Curva de variación horaria de caudal 80 70 60
) s / ³ 50 m ( l 40 a d u 30 a C
Caudal entrada Caudal salida
20 10 0 0
5
10
15
20
25
Tiempo (horas)
DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE INCENDIOS Y DIMENSIONAMIENTO DEL VOLUMEN DE ALMACENAMIENTO El caudal de incendios se determina por medio de la siguiente fórmula:
= 360,86 ∗ √ 1000 ∗ 1 −0,01√ 1000
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Entonces, el caudal de incendios es igual a 0,3761 m³/s, lo que equivale a 376,1 l/s. El volumen de almacenamiento del tanque contra incendios es calculado de acuerdo a la siguiente fórmula:
= ∗
Siempre se aplica un tiempo t de 2 horas, así que se tiene como volumen de almacenamiento del tanque: 2,708 m³. DISEÑO DE LAS REDES DE DISTRIBUCIÓN POR EPANET Para dicho diseño, primero hay que contar con un plano topográfico del municipio y un plano manzanero donde aparezca la distribución vial. Luego de ello, hay que asignar la demanda en cada nudo y realizar el cálculo hidráulico de las redes de distribución. Para el cálculo, se utilizará el software Epanet, después de importar la información de la red de distribución desde AutoCAD. Finalmente, se revisan y ajustan valores de longitud, rugosidad y diámetro de las tuberías que componen la red y se ejecuta el análisis en el programa. Los resultados obtenidos pueden encontrarse en el archivo adjunto de Epanet. CONCLUSIONES Después de la realización de este trabajo, es posible concluir:
Las condiciones topográficas y del terreno influyen en gran manera al diseñar un sistema de acueducto para un municipio, ya que en algunas ocasiones, por ejemplo, parte de la red de distribución puede tener una altura piezométrica mayor a la altura a la que se encuentra el tanque, generando presiones negativas.
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Todo el proceso del diseño del acueducto debe realizarse de acuerdo a lo planteado en la norma, en este caso el RAS 2010.
Es necesario realizar cálculos precisos para no sobredimensionar el acueducto, o que eventualmente, en la práctica resulte ser insuficiente para la población del municipio.
Toda la información recolectada permite tener un diseño más completo y preciso del acueducto, para satisfacer presentes y futuras necesidades. RECOMENDACIONES
Se tienen en cuenta las siguientes recomendaciones:
En ocasiones puede ser algo difícil conseguir parte de la información necesaria para los cálculos relacionados al taller, así que hay que aprender a ser paciente y persistir, ser recursivo y hacer lo posible por obtener la información requerida.
Utilizar el método de Darcy Weisbach o el método de Colebrook White, tanto para el diseño de la línea de aducción del desarenador a la PTAP como la de conducción de la PTAP al tanque de almacenamiento, para obtener cálculos más exactos y no sobredimensionar el diseño.
Ser cuidadoso al realizar los cálculos del diseño hidráulico de la línea de aducción y las redes de distribución.
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BIBLIOGRAFÍA ALCALDÍA DE PACHO – CUNDINAMARCA. Página de Internet. http://www.pacho-cundinamarca.gov.co/index.shtml AULAS VIRTUALES UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA. Página de Internet. http://virtual2.umng.edu.co/moodle/course/view.php?id=12808 FLUIDOS.EIA.EDU.CO. Página de Internet. http://fluidos.eia.edu.co/obrashidraulicas/articulos/desarenadores/desarenadores.html INSTITUTO DE ESTUDIOS URBANOS Página de Internet. https://www.institutodeestudiosurbanos.info/endatos/0100/0120/01210.htm MUNICIPIOS.COM.CO. Página de Internet. http://www.municipios.com.co/cundinamarca/pacho SLIDEPLAYER.ES. Página de Internet. http://slideplayer.es/slide/9698740/ REPOSITORY.UNIMILITAR.EDU.CO. Página de Internet. http://repository.unimilitar.edu.co/bitstream/10654/13092/1/Angulo%20P.%20Cristian% 202014..pdf WIKIPEDIA. Página de Internet. https://es.wikipedia.org/wiki/Pacho
