Sem 4 Captación de Agua

FACULTAD DE INGENIERÍA

GF83

INGENIERIA INGENIERI A SANITARIA

CURSO INGENIERIA SANITARIA

SEMANA 4 CAPTACIÓN DE AGUA Fuentes de abastecimiento de agua potable. Captaciones de agua cruda. Tipos de captaciones. Criterios de diseño. Ejemplos de diseño. Ejemplo de una memoria de cálculo .

SEMANA 4 CAPTACIÓN DE AGUAS SUPERFICIALES

1.

FUENTES DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE -

Cuando se estudia el mejoramiento del del abastecimiento abastecimien to de agua potable de una localidad antes que todo debe de asegurarse la fuente a través de un estudio de fuentes, ese estudio debe precisar: A) Caudal disponible. B) Calidad de Agua. C) Ubicación de fuente.

A) CAUDAL DISPONIBLE -

La fuente de abastecimiento abastecimie nto de agua debe producir un caudal mayor o igual al QMD de agua potable al final del período de diseño.

-

La información de la disponibilidad de fuentes se obtiene de en primera instancia de: EPS y Municipalidad. Municipalidad.

-

Las fuentes superficiales no pueden ser explotadas tan fácilmente, pues se requiere una autorización del Ministerio de Agricultura, quien es quien decide la dotación, además los agricultores ejercen una fuerte presión. Los registros de aforo los registra la Junta General de usuarios.

Los aforos en canales deben ser hechos en épocas de estiaje. En caso que el río sea pequeño y no se cuente con registro de caudales se debe solicitar a la población la altura del agua. Técnicas de Aforo Acequias 1° Método sección – velocidad Se conforma una sección uniforme en un tramo del cauce. Se mide y marca el tramo de unos 2 a 3 metros. Se mide la velocidad de un elemento flotante entre el tramo escogido. Longitud

VPROM =0.80 VSUP

Tiempo Se mide la sección del cuerpo de agua

Q

Área mojada Si el caudal obtenido a través del método sección – velocidad es pequeño, debe de usarse el método volumétrico que es más exacto. 2º Método volumétrico Se conduce el agua de la fuente hacia un vertedero y se mide el tiempo que se llena un recipiente con un volumen conocido.

Captación de Aguas superficiales

1

Ríos 1° Con molinete 2° Método sección – velocidad Para una estimación aproximada de la magnitud de caudal. Manantiales 1º Método volumétrico Se hace un hoyo en el suelo, se encausa y se mide el tiempo que se llena el recipiente con volumen conocido; este caudal es menor que el real. 2º Método sección – velocidad. Galerías Filtrantes -

El estudio depende de la longitud de la galería y del nivel freático.

-

No se debe de olvidar que en cualquier caso se debe de obtener el Q MD; así sea a través de una combinación de ellas.

La preferencia para la selección de la fuente es: 1º

Manantial o galerías filtrantes.

2º

Pozo

3º

Agua superficial

B) CALIDAD DE AGUA

-

El agua que consumimos debe de tener hierro (hemoglobina), Cobalto (B12), manganeso (activador de enzimas), Cobre y Zinc (síntesis de enzimas) y Molibdemo (transferencia de electrones).

-

El agua de lluvia no es recomendable debido a que no contiene los minerales que nuestro cuerpo requiere.

-

La ley general de aguas clasifica las aguas por el uso:


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Tipo

Características

I

Aguas de abastecimiento doméstico con simple desinfección.

II

Aguas de abastecimiento doméstico con tratamiento: mezcla, coagulación cloración, sedimentación y filtración. Características Bacteriológicas Tipo I

Tipo II

Conformes Totales

8,8

20 000

Conformes fecales

0

4 000

Características físico – química

-

Tipo I

Tipo II

Demanda bioquímica de oxígeno

5

5

Oxígeno disuelto

3

3

Para brindar un servicio con calidad, el agua potable debe de cumplir con la norma de calidad de agua de DIGESA (2005), antes se utilizaba las guías de SUNASS y mucho más antes de la O.M.S.

C) UBICACIÓN DE LA FUENTE -

Se debe de analizar a que distancia se encuentra la fuente con respeto al área a abastecer.

-

Debe de considerarse: A) Fuente encima de cota de

 Gravedad

Área de abastecer B) Fuente debajo de cota de

 Bombeo

Área de abastecer -

Por ejemplo:

-

Para ubicar una fuente por lo tanto debe de tener en cuenta 3 aspectos básicos: calidad de agua, cantidad y ubicación; debido a que una mala decisión afectaría los costos iniciales, de operación y mantenimiento; y de recuperación.

En conclusión -

Se debe conocer cual es el comportamiento de la cantidad del agua para saber cuanto se podrá cubrir en el futuro.


3

-

Cuando se introduzcan procesos unitarios adicionales a la desinfección para el tratamiento del agua cruda, debe de conocerse muy bien la calidad del agua de la fuente.

-

Para definir correctamente la ubicación de la fuente

se necesita un

levantamiento topográfico a fin de conocer exactamente si se requerirá estación de bombeo o se cuenta con carga hidráulica disponible. Se debe conocer y evaluar el impacto ambiental que generará la captación de agua cruda. Hoy en día todas las instituciones solicitan “ESTUDIO DE IMPACTO AMBIENTAL” 1. 1.

TIPOS DE FUENTES A. Subterránea B. Superficial C. Agua de lluvia D. Casquetes de hielo E. Agua de mar F. Neblina

1. 2.

-

Los tipos A) y B) son usados por los administradores de los sistemas de agua.

-

El tipo de fuente C) es usado en domicilios en la sierra.

CLASIFICACIÓN DE FUENTES A. Superficial - Canales. - Acequia. - Ríos. - Lagos. - Embalses.

B. Subterránea - Manantiales. - Pozos. - Galería.


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1. 3.

EVALUACIÓN DE ASPECTOS CUANTITATIVOS Y DE EXPLOTACIÓN Parámetro

Fuente superficial

Fuente subterránea

A) Caudal

Altos variables

Bajos constante

B) Bombeo

No requiere

Mayormente si requiere

C) Ubicación

Distante de localidad

Cerca de localidad

D) Costos de

Bajos

Altos

bombeo 1. 4. -

ASPECTOS DE CALIDAD DE AGUA El agua es un elemento fundamental para la vida del hombre, constituyendo el 59% 66% del peso del cuerpo humano y su empleo es múltiple en las actividades del nombre.

-

El agua es el producto de la combinación 02 moléculas de hidrógeno.

-

El agua tiene un gran poder disolvente y su acción erosiva, hace que el agua en la naturaleza se encuentre cargada de elementos con los cuales ha estado en contacto, estas sustancias se encuentran en solución o en suspensión y puede ser minerales e inorgánicas, así como orgánicos.

-

Desde el punto de vista de salud pública es importante determinar los elementos químicos que contiene el agua y que son dañinos para la salud de los consumidores; así como la población microbiana.

-

Lo señalado anteriormente demuestra que el agua constituye uno de los más importantes vehículos en la transmisión de enfermedades dada su fácil contaminación y su necesario consumo.

-

-

El agua existe en tres estados:

Sólido, líquido

y

gaseoso.

(0º C) (0º -100ºC)

(+100ºC)

Su naturaleza física le confiere las propiedades se ser: incolora, inodora e insípida por ser un compuesto de gran estabilidad.

-

El 97% del agua en el mundo se encuentra en los océanos; 2.15% solidificada en los casquetes polares; 0.3% se encuentra profundamente confinada en la tierra; 0.4% distribuida en los ríos, lagos, manantiales y subsuelo.

-

A medida que el agua es requerida por el nombre para satisfacer sus necesidades domésticas, agrícolas e industriales; ella es interceptada en cualquiera de sus tres estados y luego de ser utilizada es descargada siguiendo su curso.

-

Esta acción de interrumpir el normal movimiento del agua contribuye a deteriorar su calidad al incorporarle sustancias extrañas utilizadas en los diferentes procesos para lo cual está requerido.

1. 5.

CONTAMINANTES Y SUS EFECTOS SOBRE LA SALUD -

Las alteraciones en la calidad del agua pueden ser físicos, químicos y bacteriológicos según sea el contaminante incorporado.


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A. Contaminante físico -

Determinado por partículas sólidas o líquidas, le dan turbiedad y características de color, olor, etc., no aceptables por los consumidores.

B. Contaminante químico -

Es frecuente hallar en el agua minerales de fierro, magnesio, calcio, manganeso, cloruros, carbonatos, nitritos, sulfatos, hidróxidos, etc., sea en forma de solución,

en suspensión

formando

sales,

producen

envenenamiento y anormalidades en el organismo. C. Contaminantes Bacteriológicos - Animales

1. 6.

:

Gusanos, protozoos, bacterias.

-

Vegetales :

Algas, hongos.

-

Otros

Virus.

:

CONTAMINANTES COMUNES A. Físicos – Químicos -

Plomo -

Es un veneno acumulativo, el plomo se halla presente en aguas contaminadas con relaves de minas, así como en aguas residuales provenientes de laboratorios e industrias, tuberías en plomo deterioran el agua.

-

El plomo en concentraciones altas dañan el organismo y producen envenenamiento llamado “SATURNISMO”.

-

Arsénico, mercurio, cianuro, cadmio -

Son contaminantes tóxicos sumamente peligrosos, teniendo en su mayoría efectos mortales, cuando la concentración es mayor a lo estipulado en el reglamento de calidad de agua para bebida.

-

Fluor, cloro, bromo, yodo -

Son agentes oxidantes por su acción tóxica son usados para eliminar la acción de los microorganismos presentes en el agua. En concentraciones mayores a las estipuladas en el reglamento de calidad de agua intoxican a las personas.

B. Bacteriológicos -

Bacilos desintéricos, Shiguella dysentereine, Shiguella flexner, Shiguella boydii, Shiguella sonnei: Causan diferentes tipos de disentería.

-

Schistosoma mansoni, Haematobium Japonicense: Parásitos que son productores de la esquistosomiasis.

-

1. 7.

Giardia lamblia, protozoario flagelado, produce la enfermedad giardiasis.

PRINCIPALES ENFERMEDADES HIDRICAS A. Salmonelosis


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-

Es una enfermedad infecciosa aguda de inicio con dolores abdominales, diarrea, náuseas, vómitos y fiebre, su transmisión es a través de alimentos y agua contaminadas con heces de personas y animales.

B. Hepatitis -

Es una enfermedad que se presenta con fiebre malestar general, náuseas y malestar abdominal seguida a los pocos días de ictericia. La gravedad varía desde afecciones leves que duran 1 a 2 semanas.

-

Es una enfermedad grave e incapacitante que continua durante varios meses. La transmisión puede ser directa o indirecta por ingesta de agua contaminada u otros alimentos contaminados.

C. Desinterías -

Infección bacteriana aguda del intestino, caracterizada por diarreas, acompañado de fiebre y con frecuencia vómitos, cólicos y tenesmo, en los casos graves, las heces pueden contener sangre, moco y pus.

D. Hidatidosis -

La transmisión es mediante ingesta de huevos que se encuentran en alimentos y en el agua contaminada con gérmenes patógenos.

E. Giardiasis -

Infección del intestino delgado, producido por un protozoario con frecuencia es asintomática, pero esta asociada con una gran variedad de diarreas.

-

En las infecciones intensas puede haber cólicos abdominales y timpanismo, anemia, fatiga y pérdida de peso. La transmisión es a través de agua contaminada.

F. Esquistosomiasis -

Enfermedad producida por nematodos, en los cuales los gusanos adultos machos y hembras, viven en las venas del huésped.

-

La transmisión se adquiere por contacto de aguas contaminadas con larvas provenientes de los caracoles.

G. Fiebre tifoidea -

Enfermedad infecciosa generalizada que se caracteriza por fiebre continua, malestar general, anorexia, pulso lento, invasión de los tejidos linfoideos, machas rosadas en el tronco y estreñimiento más común que diarrea.

-

La transmisión puede ser por contacto directo o indirecto con las heces fecales, orina de un paciente o un portador, los principales vehículos de transmisión que el agua y los alimentos.

H. Otras enfermedades -

Cólera

- Oídos

-

Parasitosis

- Fluorosis

- Infecciones de la piel

- Ojos

- Poliomielitis


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1. 8.

EVALUACIÓN DE ASPECTOS CUALITATIVOS Parámetro

Fuente

Fuente

Superficial

Subterránea

B) Color

Variable

Constante, no se presenta

C) Mineralización

Variable

Constante

Alta

Depende del suelo

D) Dureza

Baja

Alta

E) Contaminación

Variable

Constante no se presenta

Bacteriana


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2.

CAPTACIONES DE AGUA CRUDA -

Las obras de captación son las que se construyen para reunir adecuadamente aguas APROVECHABLES.

-

Dichas obras varían de acuerdo con la naturaleza de la fuente de abastecimiento, su localización y su caudal de producción.

2.1.

TIPOS DE CAPTACIÓN A. Captación de aguas de lluvias ó meteóricas B. Captación de aguas superficiales 1. Captación tipo barraje. 2. Captación tipo caisson exterior al cauce del río. 3. Captación tipo caisson dentro del cauce del río. 4. Captación tipo balsa cautiva. 5. Captación de lagos y embalses. C. Captación de aguas subterráneas 1. Captación de manantiales. 2. Captación tipo galerías filtrantes. 3. Captación tipo pozos.

2.2.

CRITERIOS DE DISEÑO DE LAS ESPECIFICACIONES DE LA NORMATIVIDAD VIGENTE La norma vigente indica que en el caso de captaciones de manantiales que se debe diseñar con el caudal máximo de la fuente. -

Las captaciones superficiales se diseñan para el caudal máximo diario.

-

(Condición). La calidad de las fuentes de agua, debe satisfacer las disposiciones del reglamento de la Ley General de aguas del Ministerio de Agricultura.

DE LAS ESTRUCTURAS DE REGULACIÓN EN CAPTACIONES Estructuras de captación de fuentes superficiales sin regulación. -

El diseño de una obra de captación de una fuente sin regulación supone un caudal de diseño igual al caudal máximo diario y menor al caudal del río en cualquier época del año.

-

Bajo el punto de vista hidráulico el problema se reduce a determinar una altura de aguas sobre el área de captación, tal que el gasto mínimo aforado asegure el caudal máximo diario (QMD).

-

Bajo el punto de vista estructural, el diseño deberá proveer seguridad a la acción destructiva del río: Deslizamiento, volcadura, erosión, sedimentación, socavación, etc.

-

Cuando se trate de ríos de poco caudal o quebradas,

puede diseñarse una

estructura de captación interceptando el flujo del río y asegurando la captación del caudal requerido.


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-

Cuando se trata de ríos de gran caudal, puede diseñarse un brazo auxiliar, sin embargo esta estructura debe garantizar que en épocas de sequía el agua pase por dicho brazo auxiliar.

-

Un dispositivo que intercepte al curso del río estará expuesto a una serie de factores negativos, por lo cual deberá ser tal que presente las mejores condiciones de funcionamiento, tales como: a) El nivel de entrada de las aguas debe quedar a una máxima altura posible para evitar ser alcanzada por los sedimentos. b) El área de captación deber protegerse contra el paso de material grueso. c) La velocidad de la corriente en las cercanías de la estructura debe ser tal que no provoque excesiva sedimentación. d) Debe ofrecer seguridad de volcamiento y deslizamiento, mediante anclajes firmes y seguros.

Estructuras de captación de fuentes superficiales reguladas -

Las estructuras de regulación de caudales de fuentes superficiales están conformadas por diques o represas.

-

La finalidad de estas estructuras es compensar las variaciones de caudal durante épocas de crecida con las de estiaje.


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A.

Captación de aguas de lluvia

-

Las aguas de lluvia no constituyen fuentes de aprovechamiento constante, por lo cual deben colectarse en épocas de lluvia y almacenajes durante la sequía.

-

Las escorrentías de los primeros 15 minutos deben desecharse, por arrastrar gran cantidad de contaminantes.

-

El agua de lluvia debe de recibir un tratamiento de filtrado antes de ingresar a la estructura de almacenamiento.


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B.

Captación de aguas superficiales 1. Captación de barraje -

Es utilizada en canales, acequias y ríos.

-

La ecuación gobernante del paso del agua por un orificio: Q= C d A (2gh)

-

El valor de Cd varía según las siguientes consideraciones: -

Compuertas con contracción completa  Cd= 0.61

-

Compuertas con contracción incompleta

½

Valores del Coeficiente de descarga  Cd= 0.65 – 0.90 -

Coeficiente de descarga usual: C d= 0.67

Los canales diseñados presentan caudal constante debido a que su caudal es regulado desde un embalse.

-

1.1.

-

Los ríos y canales de tierra presentan caudal variable. Captación a nivel constante.

La compuerta sirve para regular la altura ó carga hidráulica, y por lo tanto el caudal de entrega (Q MD).

-


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-

Los vertederos triangulares son más precisos para la medición de caudal. Se usan los que usan triángulo isósceles de 90º, para ellos la ecuación para medir el caudal es: Q= Kh 2.5

Donde: Q= Caudal (m³/seg) h= Altura (m) K= 1.40 – 1.46

1.2.

Captación a nivel variable -

Los fenómenos hidráulicos que se deben de tener en cuenta para el diseño de estas estructuras son:

-

El caso III es el que ocurre con mayor frecuencia.

-

Estas estructuras requieren de la construcción de barrajes que originen represamiento del agua hasta generar una carga hidráulica que asegure el QMD.

-

Debe de tenerse en cuenta que el caudal mínimo del río debe ser mayor o igual al caudal máximo diario mas la pérdida ocurrida en el transporte del agua entre la captación y la planta de tratamiento, la cual como máximo debe ser 5% del Q MD.


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Corte A-A

-

El diseño de la cresta o vertederos de excedencia se realiza con el caudal máximo esperado.

-

En el tratado de la sección transversal de las obras de excedencias, o en el estudio de perfil de diques, que funcionan ahogados, se busca adoptar la forma más satisfactoria, teniéndose en cuenta el flujo de la lámina vertiente.

-

La forma ideal es aquella que favorece el caudal y que al mismo tiempo impide la eventualidad de efectos nocivos a la estructura, tales como el vacío parcial, las variaciones, etc.


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-

Para el diseño de la creta pueden considerarse los estudios de Crearger y Escande; los cuales para la carga hidráulica de 1.00 m, considerar que el trazo de la cresta debe tener las siguientes coordenadas:

-

X

Y

X

Y

X

Y

0.0

0.126

0.6

0.060

1.7

0.870

0.1

0.036

0.8

0.142

2.0

1.220

0.2

0.007

1.0

0.257

2.5

1.960

0.3

0.000

1.2

0.397

3.0

2.820

0.4

0.007

1.4

0.565

3.5

3..820

Para otros valores de H= 1.00 MT, tan solo se debe de multiplicar las coordenadas indicadas por el balde nuevo de H.

-

La ecuación para calcular el caudal de demasía es:

 ( H + Vo 2 ) 3 / 2  Q= 1.838 (L-0.1nH)  29  

 Vo 2    29  

Donde: Q= Caudal en exceso (N³/s) L= Longitud de cresta (M) n = Nº de contracciones (Und.) H= Altura de agua (M) Vo= Velocidad de llegada del agua (M/S) -

Los efectos de las contracciones pueden ser:


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3/ 2

2. Captación tipo Caisson exterior al cauce del río -

Este tipo de captación es utilizado cuando el río es demasiado caudaloso.

-

El pozo se construye tipo rural y se conecta a través de las tuberías de captación.

-

Para perforar el pozo es recomendable hacer una calicata para saber si se va a lograr alcanzar el fondo de la cimentación.

-

La conducción del agua hacia la estructura de tratamiento por lo general se realiza por bombeo, sin embargo puede ser por gravedad colocando una caseta de dimensiones mínimas.

-

Las tuberías de captación deben conducir el QMD. El número de tuberías de captación es preferible que sean tres (03); sin embargo el número mínimo es uno (01).

-

El diámetro ( φ ) de las tuberías debe calcularse de acuerdo al caudal que va a pasar. Por efectos de incrustación de sólidos deben ser mayores o igual a φ 4”,

-

La diferencia (N1 – N2) es la pérdida de carga producida por la tubería y los accesorios.

-

Cuando se requiere estación de bombeo, ésta debe ser del tamaño del Caisson.

-

Los equipos de bombeo son del tipo eje vertical, por lo tanto no hay problema de altura de succión.

-

La información referente a los niveles máximos lo otorga la “Capitanía de Puertos” cuando no existe información debe de observarse la marca que hace el río, aunque muchas veces se inundan las superficies.

-

En la estación de bombeo no se debe de realizar pre – cloración por la gran distancia que la separa de la estructura de tratamiento.

-

Los orificios de las rejillas son más grandes que los de agua tratada por lo que siempre ingresan sedimentos.


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Captación tipo caisson fuera del curso del río 3. Captación tipo Caisson dentro del cauce del río

-

El tamaño de los orificios debe ser recomendado por el ingeniero estructural. No debe tenerse mayor cuidado en las pérdidas de carga debido a que son despreciables.

-

El caso de no construirse el puente, la tubería se sostiene a través de pilotes.

-

El gran problema que existe en estas estructuras es el agrietamiento del concreto por el constante descenso de los niveles y el enfriamiento del agua.


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Detalle de uña del caisson.

Vista panorámica de una captación tipo torre en el cauce de un río 4. Captación tipo balsa cautiva -

Los controles eléctricos no pueden estar en la balsa por lo que son ubicados en la orilla. Generalmente se usan bombas centrífugas de eje horizontal.

-

Los puntos de mayor cuidado son las transiciones para cambio de material de tubería, debido a que están expuestos a un mayor desgaste.

-

Son altamente vulnerable ante las crecidas en épocas de lluvia.


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Vista de planta de una captación tipo balsa cautiva

Estación de bombeo flotante

Tubería Flexible

Nivel máximo

Nivel mínimo

Vista de corte de una captación tipo balsa cautiva asegurada con tirantes

Perfil de captación tipo balsa flotante


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Vista panorámica de una captación tipo balsa cautiva asegurada en plataforma desplazable 5. Captación de lagos y embalses

-

El valor de “d” debe ser determinado a través de exámenes bacteriológicos.

-

A partir de la distancia “d” puede usarse cualquier método estudiado.

-

En la caja de válvula puede instalarse medidor electromagnético no se recomienda ultrasonido por distorsión en lectura.

-

La turbiedad es constante.

-

Una de las consideraciones importantes es que las de técnicas de captación se puede realizar una combinación de ellos, tal como se muestra en el siguiente gráfico:


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B.1. CONSIDERACIONES EN LA NORMATIVIDAD VIGENTE (CRITERIOS DE DISEÑO) -

Con relación a captaciones superficiales, el Reglamento Nacional de Edificaciones en la norma OS.010, señala: a) Las obras de toma que se ejecuten, en lo posible, no deberán modificar el flujo normal del río; deben ubicarse en zonas que no causen erosión o sedimentación y deberán estar por debajo de los niveles mínimos de agua. b) Toda toma debe disponer de elementos necesarios para impedir el paso de sólidos y facilitar su remoción, así como de un sistema de regulación y control. El exceso de captación deberá retornar al curso original. c) La toma deberá ubicarse de tal manera que las variaciones de nivel no alteren el funcionamiento normal de la captación.

Bibliografía Captaciones de agua superficiales. http://www.ingenieria.unam.mx/~enriquecv/AAPYA/apuntes_aapya/AAPYA2_7.pdf López Cualla, Ricardo Alfredo. Elementos de Diseño para Acueductos y Alcantarillados. Editorial Escuela Colombiana. Segunda Edición Julio de 2003. Reglamento Nacional de Edificaciones. Norma OS.010 OPS/CEPIS/06.171. UNATSABAR. Guía de diseño para captaciones especiales. 2005. http://www.cepis.opsoms.org/bvsatp/e/tecnoapro/documentos/agua/171esp-diseno.captaespe.pdf

Revisión: Archivo: Sem 4 Captación de agua.doc Agosto 2008


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