AGUA POTABLE PARA POBLACIONES RURALESsistemas de abastecimiento por gravedad sin tratamientoRoger Agero PittmanLa publicacin de este libro ha sido posible gracias al apoyo de Manos Unidas de Espaa. De esta edicin: Asociacin Servicios Educativos Rurales (SER) Jr. Pezet y Monel (antes Tupac Amaru) 1870, Lince. Lima, 14, Per. Telfono: 472-7950. Telefax: 472-7937 Cartula y diagramacin: Cecilia Daz Foto Cartula: Roger Agero P.AGRADECIMIENTOSDeseo expresar en primer trmino mi agradecimiento a la Ing. Rosa Miglio Toledo, profesora de Saneamiento Rural de la Universidad Nacional Agraria, por su aporte en la revisin del presente documento. Al Ing. Nicanor Vidaln Quijada, mi especial agradecimiento por su valiosa colaboracin para la realizacin de este libro. A los pobladores de las diferentes localidades donde SER implemento las obras de abastecimiento de agua potable, gracias a cuyo apoyo se gan en experiencia. A Roxana Garca-Bedoya, Directora de Servicios Educativos Rurales (SER), mi reconocimiento por su apoyo en la revisin del manuscrito as como por su inters y dedicacin para la cuidada edicin del presente texto. A SER que apoy esta obra en todos sus aspectos y permiti su publicacin. Muchas personas animaron, y aportaron con sus buenas ideas, en forma directa o indirecta para hacer posible esta publicacin. A todas ellas mi sincero agradecimiento, con la seguridad de que el esfuerzo que conjuntamente hemos realizado constituye una valiosa contribucin para todo los profesionales y tcnicos ligados al trabajo de saneamiento bsico rural. Lima, setiembre de 1997 Roger Agero PittmanINDICEPRESENTACIN 5 INTRODUCCIN 7 1. ESTUDIO DE CAMPO Y RECOPILACIN DE INFORMACIN 9 1.1 INFORMACIN SOCIAL A) Poblacin 9 B) Nivel de organizacin de la poblacin 10 C) Actividad econmica 10 1.2 INFORMACIN TCNICA A) Investigacin de la fuente 11 B) Topografa 12 C) Tipo de suelo 16 D) Clima 16 1.3 INFORMACIN COMPLEMENTARIA 17 2. POBLACIN DE DISEO Y DEMANDA DE AGUA 19 2.1 POBLACIN FUTURA A) Perodo de diseo 19 B) Mtodos de clculo 20 2.2 DEMANDA DE AGUA A) Factores que afectan el consumo 23 B) Demanda de dotaciones 23 C) Variaciones peridicas 24 3. FUENTES DE ABASTECIMIENTO 27 3.1 TIPOS DE FUENTES DE AGUA A) Aguas de lluvia 27 B) Aguas superficiales 27 C) Aguas subterrneas 28 3.2 SELECCION DEL TIPO DE FUENTE A) Manantiales 28 3.3 CANTIDAD DE AGUA A) Mtodo volumtrico 30 B) Mtodo de velocidad - rea 31 3.4 CALIDAD DE AGUA 32 3.5 ASPECTOS LEGALES 364. CAMARA DE CAPTACIN 37 4.1 TIPOS DE CAPTACIN 37 4.2 DISEO HIDRULICO Y DIMENSIONAMIENTO A) Captacin de un manantial de ladera y concentrado 39 B) Captacin de un manantial de fondo y concentrado 47 4.3 DISEO ESTRUCTURAL 50 5. LNEA DE CONDUCCIN 53 5.1 CRITERIOS DE DISEO A) Carga disponible 53 B) Gasto de diseo 53 C) Clases de tubera 54 D) Dimetros 55 E) Estructuras complementarias 55 5.2 LNEA DE GRADIENTE HIDRULICA 56 5.3 PRDIDA DE CARGA A) Prdida de carga unitaria 57 B) Prdida de carga por tramo 59 5.4 PRESION 61 5.5 COMBINACIN DE TUBERAS 63 5.6 PERFILES EN "U" 71 5.7 DISEO HIDRULICO DE LA CMARA 72 ROMPE PRESIN 6. RESERVORIO DE ALMACENAMIENTO 77 6.1 CONSIDERACIONES BSICAS A) Capacidad del reservorio 77 B) Tipos de reservorios 78 C) Ubicacin del reservorio 78 6.2 CASETA DE VLVULAS A) Tubera de llegada 78 B) Tubera de salida 79 C) Tubera de limpia 79 D) Tubera de rebose 79 E) By-pass 6.3 CLCULO DE LA CAPACIDAD DEL RESERVORIO 80 6.4 DISEO ESTRUCTURAL DEL RESERVORIO A) Clculo de momentos y espesor 82 B) Distribucin de la armadura 87 C) Chequeo por esfuerzo cortante y adherencia 88 7. RED DE DISTRIBUCIN 93 7.1 CONSIDERACIONES BSICAS DE DISEO 93 7.2 TIPOS DE REDES A) Sistema abierto o ramificado 94 B) Sistema cerrado 97 7.3 CONEXIONES DE SERVICIO 1148. PRESENTACIN DE PLANOS Y EXPEDIENTE TCNICO 117 8.1 PLANOS 117 8.2 EXPEDIENTE TCNICO 118 ANEXOS A. CAPTACIONES ESPECIALES 1. Diseo de una captacin con instalacin de hipoclorador 123 2. Diseo de una captacin en un manantial de fondo y difuso 125 B. ESTRUCTURAS DE ALBAILERA 132 C. RECOMENDACIONES PARA LA INSTALACIN Y PRUEBA HIDRAULICA DE TUBERAS 134 1. Instalacin de tuberas 134 2. Prueba hidrulica 135 D. DESINFECCIN DE UN SISTEMA DE AGUA POTABLE 136 E. HIPOCLORADOR DE FLUJO DIFUSIN 138 F. MORTERO Y CONCRETO 139 1. Mortero 139 2. Concreto 140 G. ENCOFRADOS, RECUBRIMIENTOS Y PRUEBAS DE FUGAS 142 1. Encofrados 142 2. Recubrimientos 142 3. Pruebas de fugas 142 H. RENDIMIENTO DE PEGAMENTO. PESO DE TUBERAS Y CARACTERSTICAS DE VARILLAS DE REFUERZO 143 I. PROGRAMAS EN BASIC 146 J. FORMATO DE RECOLECCIN DE DATOS BSICOS PARA LA ELABORACIN DE PROYECTOS DE AGUA POTABLE 159 BIBLIOGRAFA 165PRESENTACIONMe es grato presentar a consideracin de las instituciones y profesionales vinculados al desarrollo de programas de abastecimiento de agua potable el libro titulado "Agua potable para poblaciones rurales-Siste-mas de abastecimiento por gravedad sin tratamiento", el cual ha sido preparado con gran entusiasmo y dedicacin por el ingeniero agrcola Roger Agero Pittman. El autor, excelente profesional egresado de la Universidad Nacional Agraria La Molina ha tenido la capacidad de revisar y sistematizar en este libro la informacin obtenida de distintas publicaciones y entidades del Per y del extranjero, as como su experiencia durante varios aos en la elaboracin y ejecucin de proyectos de abastecimiento de agua potable por gravedad en diversas zonas rurales del pas, realizada en la institucin Servicios Educativos Rurales - SER. Esta experiencia y las tcnicas aplicadas han sido volcadas en esta publicacin y son explicadas de manera sencilla y clara para que puedan servir de texto a los estudiantes universitarios, de consulta a los profesionales y de gua a las personas interesadas en efectuar acciones vinculadas con el abastecimiento de agua. El libro que se presenta cubre todos los aspectos relacionados con el tema, desde la recopilacin de la informacin bsica de campo, pasando por el estudio de las fuentes de abstecimiento y culminando con el diseo de cada uno de los componentes de un sistema de abastecimiento de agua potable por gravedad. Ing. Rosa Miglio T. Profesora Asociada Universidad Nacional AgrariaINTRODUCCINLa ampliacin significativa del acceso al consumo de agua potable en las zonas rurales de nuestro pas es uno de los principales desafos que debemos enfrentar todas aquellas instituciones que estamos comprometidas en la mejora de la calidad de vida de la mayora de la poblacin. Sistemas de abastecimiento de agua potable seguros, adecuados y accesibles, conjuntamente con un saneamiento apropiado, permitirn eliminar o disminuir los riesgos de muchas enfermedades de importante incidencia en nuestro pas, mejorando sensiblemente la situacin general de la salud, as como aminorar la carga de trabajo de las familias, en particular de mujeres y nios. Buscando responder a estas necesidades, Servicios Educativos Rurales (SER) desde hace ms de doce aos ha venido implementando como una de sus lneas de trabajo, la ejecucin de proyectos de abastecimiento de agua potable en distintas zonas rurales del pas. Fruto de esta larga experiencia y de los logros alcanzados es que nos animamos a publicar el presente libro. Su autor es el Ingeniero Roger Agero Pittman, Coordinador del Area Tcnica de SER, quien cont con el apoyo del Ingeniero Nicanor Vidaln Quijada en esta tarea. Las fuentes de agua que se han considerado en la mayora de proyectos ejecutados por SER han sido los manantiales ubicados en la parte alta de los centros poblados, buscndose que, por accin de la gravedad, el agua fluya por las tuberas permitiendo a la poblacin satisfacer oportuna y racionalmente la demanda de agua en las condiciones de calidad, cantidad y presin requeridas. Este tipo de sistema es conocido como abastecimiento de agua potable por gravedad sin tratamiento (ver Figura), no requiere de la construccin de estructuras complicadas de captacin, desarenadores, cmaras de filtro, sistemas adicionales de cloracin y equipo de bombeo, por lo que tiene un menor costo tanto en su construccin como para su operacin y mantenimiento.Existen diferentes alternativas y mtodos para plantear y disear este tipo de sistemas, pero la informacin al respecto se encuentra dispersa en diversos tipos de publicaciones como revistas, manuales, folletos, etc. El presente trabajo pretende cubrir este vaco y est en ese sentido orientado a los profesionales y estudiantes universitarios, buscando de una manera didctica que puedan entenderlo y utilizarlo para facilitar su labor. Este libro desarrolla los diferentes aspectos de este sistema, abarcando en primer trmino la etapa del estudio de campo y la recopilacin de informacin, la poblacin de diseo y su demanda de agua y las fuentes de abastecimiento; para luego desarrollar con detenimiento cada uno de los componentes del sistema: cmara de captacin, lnea de conduccin, reservorio de almacenamiento, red de distribucin; finalizando con las recomendaciones para la presentacin de los planos y expedientes tcnicos. En los anexos del libro se incluye asimismo informacin complementaria bastante til para el diseo de este tipo de proyectos. El documento presenta de manera concisa, clara y simple, la informacin y los datos esenciales, incorporando ejemplos con su respectivo procedimiento de clculo y cuadros resmenes con la informacin tcnica que el lector generalmente espera encontrar en una obra de este tipo. Cmara de captacin: Construida en un manantial ubicado en la parte alta del centro poblado, con dimensiones mnimas y de construccin sencilla para proteger adecuadamente el agua contra la contaminacin causada por la presencia de agentes externos. Lnea de conduccin: Transporta el agua desde la cmara de captacin hasta el reservorio de almacenamiento. Reservorio de almacenamiento: Permitir satisfacerlas mximas demandas de consumo de agua de la poblacin. Lnea de aduccin: Transporta el agua desde desde el reservorio de almacenamiento hasta el inicio de la red de distribucin. Red de distribucin:Transporta el agua a los diferentes sectores de la poblacin mediante tuberas matrices y secundarias.RED DE DISTRIBUCIONSistema de abastecimiento de agua potable por gravedad sin tratamientoCAPTULO 1ESTUDIODE CAMPO Y RECOPILACIN DE INFORMACINLa primera accin que debe realizarse a efectos de determinar la factibilidad de un proyecto es la visita a la zona. En ella, buscando la mxima participacin de la poblacin, se realizan las actividades de reconocimiento de campo y recopilacin de la informacin bsica necesaria para la elaboracin de los estudios. Durante su permanencia, el tcnico deber coordinar diversas reuniones a fin de conocer la situacin actual de consumo de agua y evaluar la participacin comunal, y discutir el proyecto con la mayor cantidad de beneficiarios. Para ello, sin crear falsas expectativas, se debe explicar la importancia del agua potable y el procedimiento de trabajo a seguir para concretar el proyecto. Se debe solicitar informacin sobre la poblacin que va a ser atendida, la disponibilidad de materiales locales, la existencia de fuentes de agua y cualquier otra informacin necesaria para llevar a cabo una investigacin completa y obtener resultados precisos con la finalidad de determinar si es factible o no la instalacin de un sistema de abastecimiento de agua potable.1.1A)INFORMACIN SOCIALPara realizar el estudio se consideran tres factores:POBLACINEl factor poblacin es el que determina los requerimientos de agua. Se considera que todas las personas utilizarn el sistema de agua potable a proyectarse siendo necesario por ello empadronar a todos los habitantes, identificar en un croquis (Figura 1.1) la ubicacin de locales pblicos y el nmero de viviendas por frente de calle; adicionndose un registro en el que se incluya el nombre del jefe de familia y el nmero de personas que habitan en cada vivienda. Para efectos de recoger los datos de poblacin, con el apoyo de las autoridades y/u organizaciones, como por ejemplo el comit pro-agua potable, se realiza un censo cuyo modelo se presenta en el Cuadro 1.1.Figura 1.1: Identificacin y recuento de viviendas.Adicionalmente a esta actividad, se recomienda recopilar informacin de los censos y encuestas anteriormente realizados y en algunos casos recurrir al municipio a cuya jurisdiccin pertenece el centro poblado. Dicha informacin permitir obtener registros de nacimientos, defunciones y crecimiento vegetativo de la poblacin.CUADRO 1.1 Modelo de registro - padrn de habitantesNOMBRE DEL JEFE DE FAMILIA NMERO 1 2 3 4 5 6 Julin Osorio G. Francisco Lara T. Antonia Reyes A. Pedro Torres T. Pedro Rosales L. Juana Carbajal G. TOTALB)EDAD 56 27 38 49 60 55L.E. 05675210 08000907 08099761 08077566 08066543 08088897MIEMBROS POR FAMILIA 6 7 8 9 10 5 45NIVELDE ORGANIZACIN DE LA POBLACINPara realizar un proyecto de abastecimiento de agua potable es indispensable conocer el entusiasmo, motivacin y capacidad de cooperacin de la poblacin. Para formarnos una idea del nivel de organizacin de la poblacin es necesario recopilar informacin sobre anteriores experiencias de participacin de la comunidad en la solucin de sus necesidades. Por ejemplo, en la construccin de escuelas, iglesias, caminos, canales de riego, etc. As como evaluar los patrones de liderazgo, identificando a las personas cuya opinin es respetada y que tengan la capacidad de organizar y estimular la participacin de la poblacin.c) ACTIVIDADECONMICAEs importante conocer la ocupacin de los habitantes as como la disponibilidad de recursos (valor de la propiedad, agro industrias, etc). Aprovechando la permanencia en la zona de estudio, se recopilar tambin informacin sobre los jornales promedio, la mano de obra disponible: maestros de obra, albailes, peones, etc. Adems, se solicitar informacin sobre la manera en que la poblacin contribuir en la ejecucin de la obra, tanto con aporte econmico, material o en mano de obra.1.2 INFORMACIN TCNICA A) INVESTIGACIN DE LA FUENTE DE AGUAPara realizar con xito esta actividad se debe recopilar informacin sobre consumo actual, reconocimiento y seleccin de la fuente.- Consumo actualEn la mayora de las poblaciones rurales del pas se consume agua proveniente de los ros, quebradas, canales de regado y manantiales, que sin proteccin ni tratamiento adecuado, no ofrecen ninguna garanta y representan ms bien focos de contaminacin que generan enfermedades y epidemias. A esta situacin se suma que en las pocas de sequa disminuye o desaparece el agua y los habitantes se tienen que trasladar a fuentes distantes; tarea generalmente realizada por las mujeres y los nios. Las enfermedades ms comunes derivadas del consumo de agua contaminada son las respiratorias, gastrointestinales y de la piel; siendo necesario investigar y tener una informacin precisa que permita establecer en qu medida mejorara la salud de la poblacin con la implementacin del proyecto de agua potable. Es importante conocer de qu fuentes de agua se abastece actualmente la poblacin (ros, canales, quebradas, manantiales, etc.), examinar los usos que se le dan (consumo humano, riego, etc.), determinar las necesidades promedio de agua por persona; y realizar una descripcin que permita conocer la distancia de la fuente al centro poblado, su ubicacin (por encima o por debajo del centro poblado), y la calidad y cantidad de agua de la misma. Esta informacin permitir tener una idea para estimar la demanda de la poblacin futura y ver la necesidad o no de implementar un sistema de abastecimiento de agua potable.- Reconocimiento y seleccin de la fuenteLos manantiales, ojos de agua o puquios son las fuentes ms deseables para los sistemas de abastecimiento de agua potable por gravedad sin tratamiento, por lo que es necesario hacer una investigacin sobre los manantiales existentes en la comunidad. Para realizar la seleccin se deber visitar todas las fuentes posibles, determinndose la calidad y cantidad de agua en cada una. Se analiza la calidad considerando que el agua sea inodora, incolora y de sabor agradable. Luego de haber determinado la calidad del agua, necesitamos conocer la cantidad existente en relacin a la poblacin que queremos abastecer, es decir, determinar los requerimientos diarios de agua con la finalidad de verificar el caudal mnimo que se requiere captar. Si la fuente no puede cubrir las necesidades diarias de la poblacin se debe buscar otra fuente o plantear un sistema que considere varias fuentes.Se evala la conveniencia de la fuente, segn las posibilidades de contaminacin, el potencial para la expansin futura, facilidades para construir la captacin y la necesidad de proteger la estructura, asimismo se investiga los derechos sobre el agua. Adems es importante conocer la distancia y la ubicacin de la fuente respecto al centro poblado. Es necesario hacer participar a los pobladores, de preferencia mayores de edad, en esta tarea, porque conocen por experiencia propia si el agua de una determinada fuente se puede o no tomar y si la cantidad de agua vara segn las pocas del ao; por tanto deben ser consultados. La calidad, cantidad, derecho de terceros y ubicacin de la fuente se desarrolla en forma detallada en el captulo sobre fuentes de abastecimiento (Captulo 3).B)TOPOGRAFAEsta puede ser plana, accidentada o muy accidentada. Para lograr la informacin topogrfica es necesario realizar actividades que permitan presentar en planos los levantamientos especiales, la franja del trazo de la lnea de conduccin y aduccin y el trazo de la red de distribucin. Dicha informacin es utilizada para realizar los diseos hidrulicos de las partes o componentes del sistema de abastecimiento de agua potable; para determinar la longitud total de la tubera, para establecer la ubicacin exacta de las estructuras y para cubicar el volumen de movimiento de tierras. Siendo importante que luego de observar el terreno, se seleccione la ruta ms cercana y/o favorable entre el manantial y el poblado, para facilitar la construccin y economizar materiales en la lnea de conduccin y aduccin. Para el caso de la red de distribucin es necesario considerar el rea donde se localizan las construcciones (viviendas y locales pblicos) y la zona de expansin futura, con la finalidad de considerar los requerimientos de consumo para el ltimo ao del periodo de diseo. Existen diferentes instrumentos para efectuar un estudio topogrfico siendo el altmetro, el eclmetro y el teodolito los ms utilizados. Discutiremos a continuacin el empleo de cada uno de estos instrumentos, enfatizando en el uso del altmetro y del eclmetro, por ser tcnicas ms sencillas.- AltmetroEste instrumento es utilizado para realizar estudios preliminares que posteriormente requieren un replanteo para definir la ubicacin precisa de las obras civiles (captacin, rompe-presin, reservorio, etc.) y para determinar la ruta definitiva de la lnea de conduccin y aduccin. Para realizar el levantamiento con el altmetro adems de este instrumento se requiere de una wincha o cordel de 20 m., estacas y pintura. Se inicia la medicin desde el origen del manantial hasta el centro poblado, de preferencia realizando mediciones cada 20 metros. Se recomienda registrar lecturas de altitud cada 100 metros o en lospuntos que a lo largo de la ruta seleccionada presenten cambios de pendiente, tramos rocosos, terrenos deleznables, etc. En el centro poblado se medirn las posibles rutas por las que pasar la red de distribucin. Adems, con el altmetro se registrarn las alturas correspondientes a los puntos extremos y finales de la red de distribucin. Se medirn las distancias desde los ramales principales de la red de distribucin hacia los domicilios y locales pblicos con la finalidad de disponer de la totalidad de la informacin necesaria para elaborar el croquis. En la Figura 1.2 se identifican los puntos de registro que se muestran en el Cuadro 1.2.a ) CROQUISDEL TRAZOb)PERFIL. LONGITUDINALFigura 1.2: Trazo y perfil de la lnea de conduccinCUADRO 1.2 Registro de informacin del trazo de un tramo de la lnea de conduccin con el altmetroPROGRESIVA ALTURA ALTMETRO (m.s.n.m.) OBSERVACIONES0+000 0+100 0+200 0+300 0+400 0+500 0+600 0+700 0+800 0+900 1+000 1+100 1+200 1+300 1+400 1+5003,430 3,425 3,418 3,414 3,408 3,400 3,397 3,387 3,383 3,380 3,375 3,370 3,357 3,343 3,340 3,335manantial de ladera suelo arcilloso " cruce de quebrada (12m.) suelo arcilloso " entre 620 y 680 tramo rocoso suelo arcilloso " " " " " "- EclmetroEs un instrumento que proporciona resultados aceptables para los levantamientos topogrficos de sistemas de agua potable para poblaciones rurales. Adems del instrumento es necesaria una libreta de campo, una wincha o cuerda de 20 m., jaln y pintura. El personal necesario depender de las dificultades que se presenten a lo largo de la ruta seleccionada para el trazo de la lnea de conduccin. Como mnimo se requiere de cinco personas, adems de un operador para el instrumento. Dos de ellas para realizar las medidas con la wincha o cordel, dos para la ubicacin y pintado de las estacas y una para ubicarse en el punto de referencia donde se realice la lectura. Al igual que en el caso del altmetro, el trazo de la lnea de conduccin se inicia desde la fuente de agua ubicndose las estacas considerando distancias definidas (por ejemplo cada 20 m.). Al inicio del tramo se ubica el operador quien visar el nivel de visibilidad en la marca sealada en el jaln objetivo. Esta distancia y el ngulo medido se registran en la libreta de campo, lo que servir para determinar la altura ,, . ... . . . .JU.UI^LU^V-CFvy,^ Figura1.3 : Levantamiento topogrfico con eclmetro.vertical (ver Figura 1.3).Para proseguir con el levantamiento, el operador ubica su estacin en la estaca en la que anteriormente se estacion el jaln objetivo y realiza la lectura del ngulo vertical considerando una nueva estaca, y as sucesivamente hasta llegar a la ltima estaca considerada en el trazo. La distancia vertical (h) ser determinada mediante la siguente relacin: h = Sen (|> x D Donde: = ngulo medido. D= Distancia del terreno. En el Cuadro 1.3 se presenta un ejemplo para el clculo del trazo de la lnea de conduccin usando el eclmetro:CUADRO 1.3 Levantamiento topogrfico con eclmetroESTACIN PUNTO VISADO DIST. D (m.) NG. VERT. 4>DESNIVEL h (m.)COTA (m.s.n.m.)OBSERVACIONES0+000 0+000 0+020 0+040 0+050 0+070 0+100 0+140 0+165 0+192 0+240 0+320 0+020 0+040 0+050 0+070 0+100 0+140 0+165 0+192 0+240 0+320 0+360 20 20 10 20 30 40 25 27 48 80 40 -30 -25 + 5 -8 -9 -5 -6 -4 - 2 + 5 - 3 - 10.00 - 8.45 + 0.87 - 2.78 - 4.69 - 3.49 - 2.61 - 1.88 - 1.68 + 6.97 - 2.092456.00 2446.00 2437.55 2438.42 2435.64 2430.95 2427.46 2424.85 2422.97 2421.29 2428.26 2426.17manantial suelo arcilloso " suelo arenoso " " suelo rocoso " "- TeodolitoEl equipo mnimo necesario que se considera es un teodolito, un trpode, dos miras, una wincha, una libreta de campo, pintura y estacas. Luego de verificar la perfecta operatividad del instrumento se realizarn las siguientes actividades:En la zona de la captacin se ubicarn puntos sobre un radio de 50 m. alrededor del punto de afloramiento del manantial, con la finalidad de ejecutar las labores de proteccin contra daos causados por los deslizamientos, inundaciones, huaycos, etc. A lo largo de la ruta que seguir la lnea de conduccin y aduccin se localizarn los puntos que corresponden a una franja mnima de 100 m. y con ayuda de un croquis se anotar en la libreta de campo los tipos de suelos, lugares donde existan depresiones (quebradas, riachuelos.etc.) y obras de arte (carreteras, puentes, etc.). En la zona del futuro reservorio, se detallar la mayor cantidad posible de puntos y se tipificar el terreno. En la zona del poblado se anotar en el croquis el nmero de viviendas por frente de calle (manzana) y se precisarn los lugares donde la poblacin est concentrada como es el caso de la ubicacin de los centros educativos, locales comunales, etc.c) TIPODESUELOLos datos referentes a los tipos de suelos sern necerarios para estimar los costos de excavacin. Dichos costos sern diferentes para los suelos arenosos, arcillosos, gravosos, rocosos y otros. Adems, es necesario considerar si en la poblacin se han realizado obras de pavimentacin y empedrado de las calles, con la finalidad de determinar el costo de rotura y reposicin. Es necerario conocer la resistencia admisible del terreno para considerar las precauciones necesarias en el diseo de las obras civiles.D)CLIMAEs importante registrar la informacin climtica que permitir una adecuada planificacin de las actividades y mayor eficiencia en el aspecto constructivo. Se recomienda registrar las temperaturas mximas y mnimas y, si existe congelacin o no ya que dependiendo del tipo de clima se debern tomar precauciones durante la elaboracin del concreto. Para los climas fros, con temperaturas menores de 4C, se recomienda usar agua caliente y an en casos extremos calentar la arena y grava; y proteger el concreto fresco de las heladas, usando encofrados o coberturas aislantes. En climas clidos con temperaturas mayores a 32C es preferible vaciar el concreto durante la noche, recomendndose enfriar los agregados y utilizar agua enfriada artificialmenteu>. Finalmente es necesario recopilar la informacin de los meses con temporadas de lluvia y pocas de estiaje con la finalidad de programar y realizar las actividades de ejecucin de las obras en los meses ms favorables.(1) Especificaciones tcnicas de las Normas Generales del Ministerio de Salud.1.3 INFORMACIN COMPLEMENTARIASe deber recopilar informacin adicional como: Nombre completo de la localidad y su ubicacin poltica (departamento, provincia, distrito y casero). Mercados abastecedores de materiales, indicando los costos de materiales, las distancias en kilmetros y tiempo en las diversas vas de comunicacin, servicios de transportes tanto de pasajeros como de carga, y costos de transporte por kilo. Localizar mentes de materiales locales de construccin tales como arena, grava, madera, etc. Otra informacin necesaria sobre caractersticas particulares de la localidad. En el Anexo J se presenta un formato de recoleccin de datos bsicos para proyectos de agua potable, cuyo contenido fue elaborado por el Ministerio de Salud.CAPTULO 2 POBLACIN DE DISEO Y DEMANDA DE AGUALas obras de agua potable no se disean para satisfacer slo una necesidad del momento actual sino que deben prever el crecimiento de la poblacin en un periodo de tiempo prudencial que vara entre 10 y 40 aos; siendo necesario estimar cul ser la poblacin futura al final de este periodo. Con la poblacin futura se determina la demanda de agua para el final del periodo de diseo. La dotacin o la demanda per cpita, es la cantidad de agua que requiere cada persona de la poblacin, expresada en litros/habitante/ da. Conocida la dotacin, es necesario estimar el consumo promedio diario anual, el consumo mximo diario y el consumo mximo horario. El consumo promedio diario anual servir para el clculo del volumen del reservorio de almacenamiento y para estimar el consumo mximo diario y horario. El valor del consumo mximo diario es utilizado para el clculo hidrulico de la lnea de conduccin; mientras que el consumo mximo horario, es utilizado para el clculo hidralico de la lnea de aduccin y red de distribucin. En este captulo se presenta la forma de clculo de la poblacin futura, la demanda y las variaciones peridicas de consumo.2.1 POBLACIN FUTURA A) PERIODO DE DISEOEn la determinacin del tiempo para el cual se considera funcional el sistema, intervienen una serie de variables que deben ser evaluadas para lograr un proyecto econmicamente viable. Por lo tanto el periodo de diseo puede definirse como el tiempo en el cual el sistema ser 100% eficiente, ya sea por capacidad en la conduccin del gasto deseado o por la existencia fsica de las instalaciones. Para determinar el periodo de diseo se consideran factores como: durabilidad o vida til de las instalaciones, factibilidad de construccin y posibilidades de ampliacin o sustitucin, tendencias de crecimiento de la poblacin y posibilidades de financiamiento.Tomando en consideracin los factores sealados se debe establecer para cada caso el periodo de diseo aconsejable. A continuacin, se indican algunos rangos de valores asignados para los diversos componentes de los sistemas de abastecimiento de agua potable para poblaciones rurales: - Obras de captacin - Conduccin - Reservorio - Redes 20 aos. 10 a 20 aos. 20 aos. 10 a 20 aos (tubera principal 20 aos, secundaria 10 aos). Para todos los componentes, las normas generales para proyectos de abastecimiento de agua potable en el medio rural del Ministerio de Salud recomiendan un periodo de diseo de 20 aos.B) MTODOS DE CLCULOLos mtodos ms utilizados en la estimacin de la poblacin futura son:Mtodos analticosPresuponen que el clculo de la poblacin para una regin dada es ajustable a una curva matemtica. Es evidente que este ajuste depender de las caractersticas de los valores de poblacin censada, as como de los intervalos de tiempo en que stos se han medido. Dentro de los mtodos analticos tenemos el aritmtico, geomtrico, de la curva normal, logstico, de la ecuacin de segundo grado, el exponencial, de los incrementos y de los mnimos cuadrados.- Mtodos comparativos - Mtodo racionalSon aquellos que mediante procedimientos grficos estiman valores de poblacin, ya sea en funcin de datos censales anteriores de la regin o considerando los datos de poblaciones de crecimiento similar a la que se est estudiando. En este caso para determinar la poblacin, se realiza un estudio socioeconmico del lugar considerando el crecimiento vegetativo que es funcin de los nacimientos, defunciones, inmigraciones, emigraciones y poblacin flotante. El mtodo ms utilizado para el clculo de la poblacin futura en las zonas rurales es el analtico y con ms frecuencia el de crecimiento aritmtico. Este mtodo se utiliza para el clculo de poblaciones bajo la consideracin de que stas van cambiando en la forma de una progresin arimtica y que se encuentran cerca del lmite de saturacin.La frmula de crecimiento aritmtico es: rt P f = P a ( l + -) (23) 1000 Donde: Pf = Poblacin futura. Pa = Poblacin actual. r = Coeficiente de crecimiento anual por 1000 habitantes, t = Tiempo en aos. Para la aplicacin de esta frmula es necesario conocer el coeficiente de crecimiento (r) pudindose presentar 2 casos. En el primer caso, adems de contar con los datos recopilados en el estudio de campo, se considera la informacin censal de periodos anteriores; un ejemplo de clculo se presenta a continuacin:EJEMPLO:Datos: Poblacin actual Pa = 468 hab. Periodo de diseo (t)CLCULOS:AO= 20 aos r P/Pa. t r. tPa (hab.) t (aos)P Pf-PaPa. t1972 1981 1991 TOTAL244 334 468_9_90_2196_0.0410.371013433400.0400.4019 0.77Total r x t 0.77 - = - = 0.041 Total t 19 r = 41 por cada 1000 habitantes (417^) Con el valor de "r" y reemplazando en la ecuacin 2.1, se determina la poblacin futura como se indica a continuacin: rxt (2011) = Pl (1991) X (1 + ) 1000Reemplazando la informacin se tiene: 41 x20 Pf (20U) = 468 x (1 +-) = 852 hab. 1000 En el segundo caso, cuando no existe informacin consistente, se considera el valor (r) en base a los coeficientes de crecimiento lineal por departamento que se presentan en el Cuadro 2.1 Ejemplo de aplicacin: Datos: Poblacin Actual (Pa) = 651 hab. Coeficiente de crecimiento (r) = 25 por mil hab. (Dpto. de Lima) Periodo de diseo (t) = 20 aos. Reemplazando la informacin en la ecuacin 2.1 se obtiene: 25x20 Pf =651 hab. (1 +-) 1000 Pf = 977 hab.CUADRO 2.1 Coeficiente de crecimiento lineal por departamento (r)DEPARTAMENTOCRECIMIENTO ANUAL POR MIL HABITANTES (r) 20 30 25 35 20 10 25 20 25 25 20 32 10 10 15 15 15 15 10 40 10 30 40 40Tumbes Piura Cajamarca Lambayeque La Libertad Ancash Hunuco Jum'n Pasco Lima Prov. Const. Callao lea Huancavelica Ayacucho Cusco Apurmac Arequipa Puno Moquegua Tacna Loreto San Martn Amazonas Madre de DiosFuente: Ministerio de Salud (1962)2.2 DEMANDA DE AGUA A) FACTORES QUE AFECTAN EL CONSUMOLos principales factores que afectan el consumo de agua son: el tipo de comunidad, factores econmicos y sociales, factores climticos y tamao de la comunidad. Independientemente que la poblacin sea rural o urbana, se debe considerar el consumo domstico, el industrial, el comercial, el pblico y el consumo por prdidas. Las caractersticas econmicas y sociales de una poblacin pueden evidenciarse a travs del tipo de vivienda, siendo importante la variacin de consumo por el tipo y tamao de la construcin. El consumo de agua vara tambin en funcin al clima, de acuerdo a la temperatura y a la distribucin de las lluvias; mientras que el consumo per cpita, vara en relacin directa al tamao de la comunidad.B)DEMANDADE DOTACIONESConsiderando los factores que determinan la variacin de la demanda de consumo de agua en las diferentes localidades rurales; se asignan las dotaciones en base al nmero de habitantes (Cuadro 2.2) y a las diferentes regiones del pas (Cuadro 2.3).CUADRO 2.2 Dotacin por nmero de habitantesPOBLACIN (habitantes) Hasta 500 500 - 1000 1000 - 2000 DOTACIN (l/hab./da) 60 60 - 80 80 - 100Fuente: Ministerio de Salud (1962)CUADRO 2.3 Dotacin por reginREGIN DOTACIN (l/hab./da) Selva Costa Sierra 70 60 50Fuente: Ministerio de Salud (1984)c) VARIACIONESPERIDICASPara suministrar eficientemente agua a la comunidad, es necesario que cada una de las partes que constituyen el sistema satisfaga las necesidades reales de la poblacin; diseando cada estructura de tal forma que las cifras de consumo y variaciones de las mismas, no desarticulen todo el sistema, sino que permitan un servicio de agua eficiente y continuo. La variacin del consumo est influenciada por diversos factores tales como: tipo de actividad, hbitos de la poblacin, condiciones de clima, etc.- Consumo promedio diario anual (Qm)El consumo promedio diario anual, se define como el resultado de una estimacin del consumo per cpita para la poblacin futura del perodo de diseo, expresada en litros por segundo (1/s) y se determina mediante la siguiente relacin: Pf x dotacin (d) Qm = - (2) 86,400 s/da Donde: Qm = Consumo promedio diario (1/s). Pf = Poblacin futura (hab.). d = Dotacin (l/hab./da). Con la finalidad de calcular el consumo promedio diario anual (Qm), se presenta el siguiente ejemplo:EJEMPLO:Datos: Poblacin Futura (Pf) = 977 hab. Dotacin (d) = 80 l/hab./da. Con la poblacin futura y la dotacin, estimada en base al nmero de habitantes (Cuadro 2.2) se obtiene: 977 hab. x 801/hab/da Qm = 86,400 s/da Qm = 0.9051/s.- Consumo mximo diario (Qmd) y horario (Qmh)El consumo mximo diario se define como el da de mximo consumo de una serie de registros observados durante los 365 das del ao; mientras que el consumo mximo horario, se define como la hora de mximo consumo del da de mximo consumo (Figura 2.1). Para el consumo mximo diario (Qmd) se considerar entre el 120% y 150% del consumo promedio diario anual (Qm), recomendndose el valor promedio de 130%.En el caso del consumo mximo horario (Qmh) se considerar como el 100% del promedio diario (Qm). Para poblaciones concentradas o cercanas a poblaciones urbanas se recomienda tomar valores no superiores al 150%. Los coeficientes recomendados y ms utilizados son del 130% para el consumo mximo diario (Qmd) y del 150%, para el consumo mximo horario (Qmh). Consumo mximo diario (Qmd) = 1.3 Qm (1/s). Consumo mximo horario (Qmh)= 1.5 Qm (1/s). Reemplazando la informacin en el ejemplo anterior, se tiene: Qmd = 1.3 x0.905 = 1.18 1/s. Qmh = 1.5 x0.905 = 1.36 1/s. El consumo mximo diario Qmd = 1.18 1/s ser conducido por la lnea de conduccin y el consumo mximo horario Qmh = 1.361/s , ingresar mediante la lnea de aduccin a la red de distribucin.a) VARIACIONES DIARIAS DE CONSUMO CONSUMO HORARIO (i/S)O b)2 4 6 S IO 12 14 le 18 VARIACIONES HORARIAS DE CONSUMO202224 HORASFigura 2.1 : Variaciones de consumo.Aforo del caudal de agua (mtodo volumtrico)CAPTULO 3 FUENTES DE ABASTECIMIENTOLas fuentes de agua constituyen el elemento primordial en el diseo de un sistema de abastecimiento de agua potable y antes de dar cualquier paso es necesario definir su ubicacin, tipo, cantidad y calidad. De acuerdo a la ubicacin y naturaleza de la fuente de abastecimiento asi como a la topografa del terreno, se consideran dos tipos de sistemas: los de gravedad y los de bombeo. En los sistemas de agua potable por gravedad, la fuente de agua debe estar ubicada en la parte alta de la poblacin para que el agua fluya a travs de tuberas, usando slo la fuerza de la gravedad. En los sistemas de agua potable por bombeo, la fuente de agua se encuentra localizada en elevaciones inferiores a las poblaciones de consumo, siendo necesario transportar el agua mediante sistemas de bombeo a reservorios de almacenamiento ubicados en elevaciones superiores al centro poblado. Para el diseo de un sistema de abastecimiento de agua potable, es importante seleccionar una fuente adecuada o una combinacin de fuentes para abastecer de agua en cantidad suficiente a la poblacin. De acuerdo a la forma de abastecimiento se consideran tres tipos principales de fuente: aguas de lluvia, aguas superficiales y aguas subterrneas. En el presente captulo se desarrollan los tipos, seleccin, cantidad y calidad de fuentes de agua.3.1 TIPOS DE FUENTES DE AGUA A) AGUA DE LLUVIALa captacin de agua de lluvia se emplea en aquellos casos en los que no es posible obtener aguas superficiales y subterrneas de buena calidad y cuando el rgimen de lluvias sea importante. Para ello se utilizan los techos de las casas o algunas superficies impermeables para captar el agua y conducirla a sistemas cuya capacidad depende del gasto requerido y del rgimen pluviomtrico. En la Figura 3.1 se muestra la captacin del agua de lluvia mediante el techo de una vivienda.B)AGUASSUPERFICIALESLas aguas superficiales estn constituidas por los Figura 3.1: Captacin de agua de lluvia arroyos, ros, lagos, etc. que discurren naturamente en la superficie terrestre. Estas fuentes no son tan deseables, especialmente si existen zonas habitadas o de pastoreo animal aguas arriba. Sin embargo a veces no existe otra fuente alternativa en la comunidad, siendo necesario para su utilizacin, contar con informacin detallada y completa que permita visualizar su estado sanitario, caudales disponibles y calidad de agua (ver Figura 3.2).c) AGUASSUBTERRNEASParte de la precipitacin en la cuenca se infiltra en el suelo hasta la zona de saturacin, formando as las aguas subterrneas. La explotacin de stas depender de las caractersticas hidrolgicas y de la formacin geolgica del acufero. La captacin de aguas subterrneas se puede realizar a travs de manantiales, galeras filtrantes y pozos (excavados y tubulares). En la Figura 3.3 se observa u n a de l a s muchas formas de aprovechamiento del agua subterrnea con fines de consumo humano.3.2 SELECCIN DEL TIPO DE FUENTEFigura 3.2 : Captacin de agua superficialCAMARA DE CAPTACION CASETA DE VALVULAEn la mayora de poblaciones rurales de nuestro pas, existen dos tipos de fuentes de agua: superficial y subterrnea. La primera representada por las quebradas, riachuelos y ros, que generalmente conduce agua contaminada con la presencia de sedimentos y residuos orgnicos; siendo necesario plantear para su captacin un sistema de tratamiento, que implica la construccin de obras civiles como bocatomas, desarenadores, cmaras de filtros e instalacin de sistemas de cloracin. Plantear dicha alternativa representa un costo elevado y en la mayora de centros poblados rurales del pas esta propuesta no tiene resultados satisfactorios debido principalmente al mantenimiento que requiere el sistema.Figura 3.3 : Captacin de agua subterrnea (manantial)La segunda alternativa representada por manantiales localizados en la parte alta de la poblacin, generalmente tiene agua de buena calidad, y es el tipo de fuente considerada en los sistemas de abastecimiento de agua potable por gravedad sin tratamiento. Esta alternativa ser desarrollada en el presente captulo.A)MANANTIALESSe puede definir un manantial como un lugar donde se produce un afloramiento natural de agua subterrnea. El agua del manantial fluye por lo general a travs de una formacin de estratos con grava, arena o roca Asurada. En los lugares donde existen estratos impermeables, stos bloquean el/ CAPA IMPERMEABLE/////1 1Figura 3.4 : Recarga del manantialflujo subterrneo del agua y permiten que aflore a la superficie. En la Figura 3.4 se observa el proceso de recarga del manantial. El agua del manantial es pura y, por lo general, se la puede usar sin tratamiento, a condicin de que el manantial est adecuadamente protegido con una estructura que impida la contaminacin del agua. Se debe asegurar que el agua provenga realmente de un acufero y que no se trate de agua de un arroyo que se ha sumergido a corta distancia. En el pas, el Ministerio de Salud, clasifica los manantiales por su ubicacin y su afloramiento. De acuerdo a lo primero, pueden ser de ladera o de fondo; y de acuerdo a lo segundo, de afloramiento concentrado o difuso. Los manantiales generalmente se localizan en las laderas de las colinas y los valles ribereos. En los de ladera el agua aflora en forma horizontal; mientras que en los de fondo el agua aflora en forma ascendente hacia la superficie. Para ambos casos, si el afloramiento es por un solo punto y sobre un rea pequea, es un manantial concentrado y cuando aflora el agua por varios puntos en un rea mayor, es un manantial difuso, tal como puede apreciarse en la Figura 3.5.b)MANANTIAL DE FONDOFigura 3.5 : Tipos de manantiales3.3 CANTIDAD DE AGUALa mayora de sistemas de abastecimientos de agua potable en las poblaciones rurales de nuestro pas, tiene como fuente los manantiales. La carencia de registros hidrolgicos nos obliga a realizar una concienzuda investigacin de las fuentes. Lo ideal sera que los aforos se efectuaran en la temporada crtica de rendimientos que corresponde a los meses de estiaje y lluvias, con la finalidad de conocer los caudales mnimos y mximos. El valor del caudal mnimo debe ser mayor que el consumo mximo diario (Qmd) con la finalidad de cubrir la demanda de agua de la poblacin futura. Se recomienda preguntar a los pobladores de mayor edad acerca del comportamiento y las variaciones de caudal que pueden existir en el manantial, ya que ellos conocen con mayor certeza si la fuente de agua se seca o no. Existen varios mtodos para determinar el caudal de agua y los ms utilizados en los proyectos de abastecimiento de agua potable en zonas rurales, son los mtodos volumtrico y de velocidad-rea. El primero es utilizado para calcular caudales hasta un mximo de 10 1/s, y el segundo para caudales mayores a 101/s.A)MTODOVOLUMTRICOPara aplicar este mtodo es necesario encauzar el agua generando una corriente del fluido de tal manera que se pueda provocar un chorro (ver Figura 3.6). Dicho mtodo consiste en tomar el tiempo que demora en llenarse u n recipiente de volumen conocido. Posteriormente, se divide el volumen en litros entre el tiempo promedio en segundos, obtenindose el caudal (1/s). =V/t donde: Q =Caudal en 1/s. V = Volumen del recipiente en litros. t =Tiempo promedio en seg. Con la finalidad de definir el tiempo promedio, se recomienda realizar como mnimo 5 mediciones. Para ilustrar el mtodo se presenta un ejemplo a continuacin:EJEMPLO:Datos: Centro Poblado Nombre de la fuente Fecha Shiquish - Ancash Shiquishpuquio Setiembre 1989Nro de Prueba 1 2 3 4 5 TOTALVOLUMEN (litros) 10 10 10 10 10 TIEMPO (seg) 7 8 8 8 9 40El tiempo promedio (t) = 40/5 = 8 seg., resultando un caudal (Q) = 1.25 1/s.B)MTODODE VELOCIDAD-REACon este mtodo se mide la velocidad del agua superficial que discurre del manantial tomando el tiempo que demora un objeto flotante en llegar de un punto a otro en una seccin uniforme, habindose previamente definido la distancia entre ambos puntos (ver Figura 3.7). Cuando la profundidad del agua es menor a 1 m., la velocidad promedio del flujo se considera el 80% de la velocidad superficial.a) ESQUEMA DE UNA SECCION UNIFORME LONGITUD DEFINIDA DE UN CANALYb)SECCION DEL CANALFigura 3.7 : Aforo del agua por el mtodo de velocidad - reaEl caudal se determina de la siguiente manera: Q = 8 0 0 x V x A donde: Q =Caudal en 1/s. V = Velocidad superficial en m/s. A =Area de seccin transversal en m2.A continuacin se presenta un ejemplo de la aplicacin de este mtodo:EJEMPLO:Datos: Centro Poblado : Yurayaco - Ancash Nombre el manantial : Ishancaragra Fecha : Setiembre 1993 Nro de LONG. TRAMO Prueba 1 2 3 4 5 TOTAL (m) 1.30 1.30 1.30 1.30 1.30TIEMPO (seg) 4 4 3 4 5 20El tiempo promedio (t) = 20/5 = 4 seg. La velocidad superficial (V) = longitud/tiempo promedio = 1.30/4 = 0.325 m/s. El rea de la seccin transversal (A) = ancho x altura = . 4 x . l 7 = 0.068m2. El valor del caudal resulta: Q = 8 0 0 x V x A = 17.68 1/s. Al igual que en el mtodo volumtrico, para determinar el tiempo promedio se recomienda realizar un mnimo de 5 pruebas.3.4 CALIDAD DE AGUAEl agua potable es aquella que al consumirla no daa el organismo del ser humano ni daa los materiales a ser usados en la construccin del sistema. Los requerimientos bsicos para que el agua sea potable, sona): - Estar libre de organismos patgenos causantes de enfermedades. - No contener compuestos que tengan un efecto adverso, agudo o crnico sobre la salud humana. - Ser aceptablemente clara (por ejemplo: baja turbidez, poco color, etc.). - No salina.(1) Centro Internacional de Agua y Saneamiento. "Sistemas de Abastecimiento de Agua Potable para Pequeas Comunidades". Holanda 1988, pp 32.- Q u e n o contenga compuestos q u e causen sabor y olor desagradables. - Que no cause corrosin o incrustaciones en el sistema de abastecimiento de agua, y que no manche la ropa lavada con ella. En cada pas existen reglamentos en los que se consideran los lmites de tolerancia en los requisitos que debe satisfacer una fuente. Con la finalidad de conocer la calidad de agua de la fuente que se pretende utilizar se deben realizar los anlisis fsico, qumico y bacteriolgico, siendo necesario tomar muestras de agua siguiendo las instrucciones que se dan a continuacin. Toma de muestra para el anlisis fsico y qumico: - Limpiar el rea cercana al manantial eliminando la vegetacin y cuerpos extraos, en un radio mayor al afloramiento. - Ubicar el ojo del manantial y construir un embalse lo ms pequeo posible utilizando para el efecto material libre de vegetacin y dotarlo, en su salida, de un salto hidrulico para la obtencin de la muestra. - Retirar los cuerpos extraos que se encuentran dentro del embalse. - Dejar transcurrir un mnimo de 30 minutos entre el paso anterior y la toma de muestra. - Tomar la muestra en un envase de vidrio de boca ancha. - Enviar la muestra al laboratorio lo ms pronto posible, con tiempo lmite de 72 horas. Toma de muestra para el anlisis bactereolgico: - Utilizar frascos de vidrio esterilizados proporcionados por el laboratorio. - Si el agua de la muestra contiene cloro, solicitar un frasco para este propsito. - Durante el muestreo, sujetar el frasco por el fondo, no tocar el cuello ni la tapa. - Llenar el frasco sin enjuagarlo, dejando un espacio de un tercio (1/3) de aire. - Tapar y colocar el capuchn de papel. - Etiquetar con claridad los datos del remitente, localidad, nombre de la fuente, punto de muestreo, el nombre el muestreador y la fecha de muestreo. - Enviar la muestra al laboratorio a la brevedad posible de acuerdo a las siguientes condiciones: 1 a 6 horas sin refrigeracin. 6 a 30 horas con refrigeracin. En los Cuadros 3.1, 3.2 y 3.3 se presentan los rangos tolerables para las caractersticas fsico-qumicos del agua y en el Cuadro 3.4 se indican los requisitos bactereolgicos; de acuerdo a las Normas de la Organizacin Mundial de la Salud (OMS). Estos valores son los mismos que establece el Ministerio de Salud.CUADRO 3.1 Sustancias y propiedades qumicas que influyen sobre la aceptabilidad del agua para usos domsticosCONCENTRACIN O PROPIEDAD CONCENTRACIN MXIMA DESEABLE SUSTANCIAS Decolorantes (coloracin) SUSTANCIAS Olorosas SUSTANCIAS QUE DAN SABOR MATERIAS EN SUSPENSIN (Turbidez) SLIDOS TOTALES p.H. DETERGENTES AMNICOS ACEITE MINERAL COMPUESTOS FENLICOS DUREZA TOTAL NITRATOS (NO,) CLORUROS (enCl) COBRE (en Cu) CALCIO (en Ca) HIERRO (en Fe) MAGNESIO (en Mg) MANGANESO (en Mn) SULFATO (en SOJ ZINC (en Zn) 500mg/l 7.0 a 8.5 0.2mg/l 0.001 mg/1 0.001 mg/1 2mEq/l (100mg/lCaCO3) 200 mg/1 0.05 mg/1 75 mg/1 0.1 mg/1 30 mg/1 0.05 mg/1 200 mg/1 5.0 mg/1 1500 mg/1 6.5 a 9.2 1.0 mg/1 0.30 mg/1 0.002 mg/1 lOmEq/1 (500mg/lCaCO3) 45 mg/1 600 mg/1 1.5 mg/1 200 mg/1 1.0 mg/1 150 mg/1 0.5 mg/1 400 mg/1 15 mg/1 5 unidades 25 unidades ninguna ninguna ninguna ninguna 5 unidades CONCENTRACIN MXIMA ADMISIBLE 50 unidadesFuente: OMS - Ministerio de Salud (1972)CUADRO 3.2: Lmites provisionales para las sustancias txicas en el agua potableSUSTANCIA CON CONCENTRACIN MXIMA mg/1 ARSNICO CADMIO CIANURO MERCURIO TOTAL PLOMO SELENIO (en As) (enCd) (en Cn) (enHg) (en Pb) (en Se) 0.05 0.01 0.05 0.001 0.1 0.01Fuente: OMS - Ministerio de Salud (1972)CUADRO 3.3: Concentraciones de fluoruros recomendadas para el agua potablePROMEDIO ANUAL DE TEMPERATURAS MXIMAS DE AIRE EN C LMITES RECOMENDADOS PARA LOS FLUORUROS (en F) (mg/1) INFERIOR 10.0- 12.0 12.1 - 14.6 14.7 - 17.6 17.7-21.4 21.5-26.2 26.3 - 32.6 0.90 0.80 0.80 0.70 0.70 0.60 MXIMA 1.70 1.50 1.30 1.20 1.00 0.80Fuente: OMS - Ministerio de Salud (1972)CUADRO 3.4: Normas de calidad bacteriolgica aplicables a los abastecimientos de agua potable1. EL AGUA EN LA RED DE DISTRIBUCIN a. En el curso del ao el 95% de las muestras no deben contener ningn germen coliforme en 100 m.l. b. Ninguna muestra ha de contener E. Coli en 100 m.l. c. Ninguna muestra ha de contener ms de 10 grmenes coliforme por 100 m.l. d. En ningn caso han de hallarse grmenes en 100 m.l. de dos muestras consecutivas 2. AL ENTRAR EN LA RED DE DISTRIBUCIN AGUA SIN DESINFECTAR.... Ningn agua que entre en la red de distribucin debe considerarse satisfactoria si en una muestra de 100 m.l. se halla E-Coli; en ausencia de este puede tolerarse hasta tres grmenes coliformes en algunas muestras de 100 m.l. de agua no desinfectada. Fuente: OMS - Ministerio de Salud (1972)3.5 ASPECTOS LEGALESLa fuente de agua seleccionada puede estar ubicada en la propiedad de una persona o pertenecer a otro pueblo siendo necesario resolver los derechos del agua. A pesar de no ser responsabilidad del investigador, es importante asegurarse que las disputas se resuelvan satisfactoriamente. El Ministerio de Salud exige para aprobar los proyectos un certificado de la comunidad o de las personas afectadas como una constancia de que la fuente no tiene problema legal.CAPTULO 4 CMARA DE CAPTACINElegida 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 captacin que permita recolectar el agua, para que luego pueda ser conducida mediante las tuberas de conduccin hacia el reservorio de almacenamiento. El diseo hidrulico y dimensionamiento de la captacin depender de la topografa 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 obstruccin puede tener consecuencias fatales; el agua crea otro cauce y el manantial desaparece. Es importante que se incorporen caractersticas de diseo que permitan desarrollar una estructura de captacin que considere un control adecuado del agua, oportunidad de sedimentacin, estabilidad estructural, prevencin de futura contaminacin y facilidad de inspeccin y operacin. Estas caractersticas sern consideradas en el desarrollo del presente captulo, donde adems se presentan los tipos, diseo hidrulico y dimensionamiento de las estructuras de captacin.4.1 TIPOS DE CAPTACINComo la captacin depende del tipo de fuente y de la calidad y cantidad de agua, el diseo de cada estructura tendr caractersticas tpicas. Cuando la fuente de agua es un manantial de ladera y concentrado, la captacin constar de tres partes: la primera, corresponde a la proteccin del afloramiento; la segunda, a una cmara hmeda que sirve para regular el gasto a utilizarse; y la tercera, a una cmara seca que sirve para proteger la vlvula de control (ver Figura 4.1). El compartimiento de proteccin de la fuente consta de una losa de concreto que cubre toda la extensin o rea adyacente al afloramiento de modo que no exista contacto con el ambiente exterior, quedando as sellado para evitar la contaminacin. Junto a la pared de la cmara existe una cantidad de material granular clasificado, que tiene por finalidad evitar el socavamiento del rea adyacente a la cmara y de aquietamiento de algn material en suspensin. La cmara hmeda tiene un accesorio (canastilla) de salida y un cono de rebose que sirve para eliminar el exceso de produccin de la fuente. Si se considera como fuente de agua un manantial de fondo y concentrado, la estructura de captacin podr reducirse a una cmara sin fondo que rodee el punto donde el agua brota. Constar de dos partes: la primera, la cmara hmeda que sirve para almacenar elooFigura 4.1 : Cmara de captacin de un manantial de ladera y concentradoagua y regular el gasto a utilizarse, y la segunda, una cmara seca que sirve para proteger las vlvulas de control de salida y desage. La cmara hmeda estar provista de una canastilla de salida y tuberas de rebose y limpia (Figura 4.2).ELEV CORTE LONGITUDINALFigura 4.2 : Captacin de un manantial de fondo y concentradoSi existen manantiales cercanos unos a otros, se podr construir varias cmaras, de las que partan tubos o galeras hacia una cmara de recoleccin de donde se inicie la lnea de conduccin. Adyacente a la cmara colectora se considera la construccin de la cmara seca cuya funcin es la de proteger la vlvula de salida de agua. La cmara colectora tiene una canastilla de salida, un cono de rebose y tubera de limpia (Figura 4.3).4.2 DISEO HIDRULICO Y DIMENSIONAMIENTO _ A) PARA LA CAPTACIN DE UN MANANTIAL DEFigura 4.3 : Captacin de un manantial de fondo y difuso. LADERA Y CONCENTRADOFigura 4.4 : Flujo del agua en un orificio de pared gruesa.Para el dimensionamiento de la captacin es necesario conocer el caudal mximo de la fuente, de modo que el dimetro de los orificios de entrada a la cmara hmeda sea suficiente para captar este caudal o gasto. Conocido el gasto, se puede disear el rea de orificio en base a una velocidad de entrada no muy alta y al coeficiente de contraccin de los orificios.- Clculo de la distancia entre el afloramiento y la cmara hmedaEs necesario conocer la velocidad de pase y la prdida de carga sobre el orificio de salida. En la Figura 4.4, aplicando la ecuacin de Ber-noulli entre los puntos 0 y 1, resulta:P V 2 P, V,2oo11 + ho += - + h, + Y 2g Y 2g Considerando los valores de Po, Vo, P, y h igual a cero, se tiene: V,2 Donde: ho = hoV, 2 g Altura entre el afloramiento y el orificio de entrada (se recomiendan valores de 0.4 a 0.5 m.). Velocidad terica en m/s. Aceleracin de la gravedad (9.81 m/s2). Mediante la ecuacin de continuidad considerando los puntos 1 y 2, se tiene: Cd x A, x V, A2xV2 Siendo A, V, = Cd Donde: V2 = Velocidad de pase (se recomiendan valores menores o iguales a 0.6 m/s). Cd = coeficiente de descarga en el punto 1 (se asume 0.8). Reemplazando el valor de V, de la ecuacin 4.2 en la ecuacin 4.1, se tiene: 1.56 2g Para los clculos, ho es definida como la carga necesaria sobre el orificio de entrada que permite producir la velocidad de pase. En la Figura 4.5 se observa: H = Hf + h fo donde Hf es la prdida de carga que servir para determinar la distancia entre el afloramiento y la caja de captacin (L). Hr = H - h Hf = 0 . 3 0 x L L = H t / 0 . 3 0 (4.5nM H--^^ j. L-*L*Figura 4.5 : Carga disponible y prdida de carga- Ancho de la pantalla (b)Para determinar el ancho de la pantalla es necesario conocer el dimetro y el nmero de orificios que permitirn fluir el agua desde la zona de afloramiento hacia la cmara hmeda. Para el clculo del dimetro de la tubera de entrada (D), se utilizan las siguientes ecuaciones: Qmx. = V x A x Cd Qmx.= A C d ( 2 g h ) " 2 Donde: Qmx.: V A Cd Gasto mximo de la fuente en 1/s. Velocidad de paso (se asume 0.50 m/s, siendo menor que el valor mximo recomendado de 0.60 m/s.). rea de la tubera en m2. Coeficiente de descarga (0.6 a 0.8). Aceleracin gravitacional (9.81 m/s2). Carga sobre el centro del orificio (m). Despejando de la ecuacin 4.6 el valor de A resulta: Qmx. f D2 A = (4.8 CdxV Considerando la carga sobre el centro del orificio (ecuacin 4.7) el valor de A ser: Qmx. 1D2A=-= -Cd x (2gh)1/2 4 El valor de D ser definido mediante : D = (4 A/f) Nmero de orificios: se recomienda usar dimetros (D) menores o iguales a 2". Si se obtuvieran dimetros mayores ser necesario aumentar el nmero de orificios (NA), siendo: rea del dimetro calculado NA = - + 1 rea del dimetro asumido NA = (D/D2)2+ 1 Para el clculo del ancho de la pantalla, se asume que para una buena distribucin del agua los orificios se deben ubicar como se muestra en la Figura 4.6. Siendo: "D" el dimetro de la tubera de entrada "b" el ancho de la pantalla.! " f l" f t" | I " t't " i0o00Figura 4.6 : Distribucin de los orificios - Pantalla frontalConocido el nmero de orificios y el dimetro de la tubera de entrada, se calcula el ancho de la pantalla (b) mediante la siguiente ecuacin: b = 2(6D) + N A D + 3 D ( N A - l ) Donde: b =Ancho de la pantalla. D =Dimetro del orificio. NA = Nmero de orificios.(O)Figura 4.7 : Altura total de la cmara hmeda- Altura de la cmara hmedaEn base a los elementos identificados en la Figura 4.7, la altura total de la cmara hmeda se calcula mediante la siguiente ecuacin: Ht = A + B + H + D + EDonde: A: Se considera una altura mnima de 10 cm. que permite la sedimentacin de la arena. B: Se considera la mitad del dimetro de la canastilla de salida. H: Altura de agua. D: Desnivel mnimo entre el nivel de ingreso del agua de afloramiento y el nivel de agua de la cmara hmeda (mnimo 3 cm.). E: Borde libre (de 10 a 30 cms.). Para determinar la altura de la captacin, es necesario conocer la carga requerida para que el gasto de salida de la captacin pueda fluir por la tubera de conduccin. La carga requerida es determinada mediante la ecuacin 4.3. V2 H = 1.562g Donde: H = Carga requerida en m. V = Velocidad promedio en la salida de la tubera de la lnea de conduccin en m/s. g = Aceleracin de la gravedad igual 9.81 m/s2. Se recomienda una altura mnima de H = 30 cm.- Dimensionamiento de la canastillaTAMAO DEL ORIFICIO0.07Figura 4.8 : Canastilla de salidaPara el dimensionamiento se considera que el dimetro de la canastilla debe ser 2 veces el dimetro de la tubera de salida a la lnea de conduccin (De) (ver Figura 4.8); que el rea total de las ranuras (At) sea el doble del rea de la tubera de la lnea de conduccin; y que la longitud de la canastilla (L) sea mayor a 3 De y menor a 6 De.0.05 c-HAt = 2 Ac donde: fDc1 Ac = Conocidos los valores del rea total de ranuras y el rea de cada ranura se determina el nmero de ranuras: N de ranuras = rea total de ranuras rea de ranuras- Tubera de rebose y limpiezaEn la tubera de rebose y de limpia se recomiendan pendientes de 1 a 1.5% y considerando el caudal mximo de aforo, se determina el dimetro mediante la ecuacin de Hazen y Williams (para C=140): 0.71xQ03S D = - (4J4) nf 0.21 donde: D = Dimetro en pulg. Q = Gasto mximo de la fuente en 1/s. hf = Prdida de carga unitaria en m/m.EJEMPLO:Datos: Se tiene un manantial de ladera y concentrado cuyo rendimiento es el siguiente: Caudal mximo = 1.301/s. Caudal mnimo = 1.251/s. Gasto mximo diario = 1.181/s.1. Clculo de la distancia entre el punto de afloramiento y la cmara hmeda (L).De la ecuacin 4.3 el valor de la velocidad (V) es: ~ 2gh" V=1.56 Para un valor asumido de h = 0.40 m. y considerando la aceleracin de la gravedad g = 9.81 m/s2 se obtiene una velocidad de pase V = 2.24 m/s. Dicho valor es mayor que la velocidad mxima recomendada de 0.6 m/s por lo que se asume para el diseo una velocidad de 0.5 m/s. Mediante la ecuacin 4.3 y la velocidad de 0.5 m/s se determina la prdida de carga en el orificio, resultando ho = 0.02 m. Con el valor de h se calcula el valor de Hf mediante la ecuacin 4.4, siendo:oHf = H - h = 0.40 - 0.02 = 0.38 m.oEl valor de L se define mediante la ecuacin 4.5. L = Hf/0.30= 1.27 m. 2. Ancho de la pantalla (b) Clculo del dimetro de la tubera de entrada (D) Para determinar el dimetro del orificio se utilizar la ecuacin 4.8 donde el valor del rea ser definida como:Qmx A =-Cdx V Considerando un caudal mximo de la fuente (Qmx.) de 1.301/s, una velocidad de pase (V) de 0.50 m/s y un coeficiente de descarga (Cd) de 0.8; resulta un rea (A) igual a 3.25xl0"3 m2. El dimetro del orificio ser definido mediante: ~4A D=1/2= 0.0643 m. D = 6.43 cm. = 2 1/2". Clculo del nmero de orificios (NA) Como el dimetro calculado de 21/2" es mayor que el dimetro mximo recomendado de 2", en el diseo se asume un dimetro de 1 1/2" que ser utilizado para determinar el nmero de orificios (NA). D2 NA + 1 (6.35cm)2 NA + 1 = 3.78, asumindose NA = 4 (3.81cm)2 Clculo del ancho de la pantalla (b) Conocido el dimetro del orificio (D) de 1 1/2" y el nmero de agujeros (NA) igual a 4, el ancho de la pantalla (b) se determina mediante la ecuacin 4.11. b = 2(6D) + N A D + 3 D ( N A - l ) = 37.5pulg b = 95.25 cm"-50 "J0 ff "* OH t 100 cm.OOOPara el diseo se asume una seccin interna de la cmara hmeda de 1 m. por 1 m. En la Figura 4.9 se presenta la distribucin final de los orificios.Figura 4.9 : Distribucin de orificios en la pantalla - Ejemplo desarrollado3. Altura de la cmara hmeda (Ht)Para determinar la altura de la cmara hmeda (Ht) se utiliza la ecuacin 4.12. Ht = A + B + H + D + E Donde: A = 10 cm. B = 3.81 cm.(l 1/2"). D = 3 cm. E = 30 cm. El valor de la carga requerida (H) se define mediante la ecuacin 4.3. V2 Q2md H = 1.56 - = 1.56 2g 2 g A 2 Donde: Qmd = Gasto mximo diario en m3/s (0.00118). A = rea de la tubera de salida en m2 (0.0011401). g = Aceleracin gravitacional (9.81 m/s2). Resulta: H= 0.0852 m. = 8.52 cm. Para facilitar el paso del agua se asume una altura mnima de H = 30 cm. Reemplazando los valores identificados, la altura total Ht es 76.81 cm. En el diseo se considera una altura de 1.00 m.4. Dimensionamiento de la canastillaEl dimetro de la tubera de salida a la lnea de conduccin (De), es de 1 1/2". Para el diseo se estima que el dimetro de la canastilla debe ser 2 veces el "De" por consiguiente: D canastilla = 2 x 1.5" = 3". Se recomienda que la longitud de la canastilla (L) sea mayor a 3 De. y menor a 6 De L = 3 x l . 5 = 1 1 . 4 3 = 12cm. L = 6 x 1.5 = 22.86 = 23 cm. L asumido = 20 cm. Ancho de la ranura = 5 mm. Largo de la ranura = 7 mm. Siendo el rea de la ranura (Ar) = 7 x 5 = 35 mm2. Ar = 3 5 x 10-6m2.rea total de ranuras (At) = 2 Ac, considerado Ac como el rea transversal de la tubera de la lnea de conduccin. fDc2 Ac =-= 1.1401 x lG-3mJ, para De = 1 1/2" 4 (0.0381 m.) At = 2 Ac = 2.2802 x 10"3 m2. El valor de At no debe ser mayor al 50% del rea lateral de la granada (Ag). Ag = 0.5 x Dg x L = 0.02394 m\ paraDg = 3". y L = 0.20m. El nmero de ranuras resulta: rea total de ranura 2.2802 x 103 N de ranuras = - = rea de ranura 35 x1o-6 N de ranuras = 65. 5. Rebose y limpieza El rebose se instala directamente a la tubera de limpia y para realizar la limpieza y evacuar el agua de la cmara hmeda, se levanta la tubera de rebose. La tubera de rebose y limpia tienen el mismo dimetro y se calculan mediante la ecuacin 4.14. 0.71 x Q038 D = hf0.21Donde: D = Dimetro en pulg. Q = Gasto mximo de la fuente (1.301/s). hf = Prdida de carga unitaria (0.015 m/m). Resultando: D = 1.89 Pulg. = 2 pulg. y un cono de rebose de 2 x 4 pulg.B)PARALA CAPTACIN DE UN MANANTIAL DE FONDO Y CONCENTRADOEl ancho de la pantalla se determina en base a las caractersticas propias del afloramiento, quedando definido con la condicin que pueda captar la totalidad del agua que aflore del sub suelo( 1 ) En los proyectos ejecutados por SER se han encontrado manantiales en los que se han definido anchos de pantalla de 0.5 a 2.5 m.Para determinar la altura total de la cmara hmeda (Ht) se consideran los elementos identificados, los cuales se muestran en la Figura 4.10. Ht = A + B + C + H + E Donde: A : Altura del filtro de 10 a 20 cm. B : Se considera una altura mnima de 10 cm. C : Se considera la mitad del dimetro de la canastilla de salida. H : Altura de agua. E : Bordo libre de 10 a 30 cm. Para determinar la altura de agua requerida (H), el dimensionamiento de la canastilla de salida y clculo del dimetro de la tubera de rebose y limpia, se utilizan los mismos procedimientos de clculo en base a las ecuaciones presentadas para el diseo de una captacin de un manantial de ladera y concentrado.TUB. REBOSE Y LIMPIA TUB. ALIMENTACIONFigura 4.10 : Altura total de la cmara hmedaEJEMPLO:Datos: se tiene un manantial de fondo y concentrado cuyo rendimiento es el siguiente: Caudal mximo = 2.051/s. Caudal mnimo = 1.891/s. Gasto mximo diario = 1.351/s. Ancho de la pantalla = 1.00 m.1 . Altura de la cmara hmedaPara determinar la altura de la cmara hmeda (Ht) se utiliza la ecuacin 4.15. Ht = A + B + C + H + E Donde: A = 20 cm. B = 10 cm. C = 5.08 cm. (2") E = 30 cm. El valor de la carga requerida (H) se define mediante la ecuacin 4.3. V2 Q^d H = 1.56 - = 1.56 2g 2gA2 Donde: Qmd = Gasto mximo diario en m3/s (0.00135). A = rea de la tubera de salida en m2 (0.0020268). g = Aceleracin gravitacional (9.81 m/s2). Resulta: H= 0.0353 m. = 3.53 cm. Se asume una altura mnima de H = 30 cm. El valor de Ht = 95.08 cm., para el diseo se considera una altura de 1.00 m.2. Dimensionamiento de la canastillaLongitud de canastilla: L = 3 x 5.08 = 15.24= 16cm. L = 6 x 5 . 0 8 = 30.48 = 31 cm. L asumido = 20 cm. Ancho de la ranura = 5 mm. Largo de la ranura = 7 mm. Siendo el rea de la ranura (Ar) = 7 x 5 = 35 mm2 Ar = 3 5 x l O ^ m 2 Area transversal de la tubera de la lnea de conduccin (Ac): IDc2 Ac=-= 2.02683 x 10"3 m2, para De = 2" 4 (0.0508 m.) At = 2 Ac = 4.05366 x 1 0 3 m2.El nmero de ranuras resulta: N de ranuras = 4.05366x1 a3 35 x 10-6 116.3. Rebose y limpiezaPara el clculo del dimetro de la tubera de rebose y limpia se utiliza la siguiente ecuacin: 0.71 x Q D= hf021 Donde: D = Dimetro en pulg. Q = Gasto mximo de la fuente (2.05 1/s) para el clculo del dimetro de la tubera de limpia y rebose, hf = Prdida de carga unitaria: Limpia = 0.015 m/m. Rebose = 0.020 m/m. Resultando los dimetros de tuberas de limpia de 2.25 pulg. y rebose de 2.12 pulg, por lo que en ambos casos se asume un dimetro de 3 pulg.4.3 DISEO ESTRUCTURALPara el diseo, se considera el muro sometido al empuje de la tierra, es decir, cuando la caja est vaca. Cuando se encuentre llena, el empuje hidrosttico tiene un componente en el empuje de la tierra favoreciendo de esta manera la estabilidad del muro. Las cargas consideradas son: el propio peso, el empuje de la tierra y la sub-presin. Con l a finalidad de garantizar la estabilidad del muro, se debe verificar que la carga unitaria sea igual o menor a la capacidad de carga del terreno; mientras que para garantizar la estabilidad del muro al deslizamiento y al volteo, se deber verificar un coeficiente de seguridad no menor de 1.6.EJEMPLO:En la Figura 4.11, se muestra la informacin de las dimensiones del muro de la cmara hmeda de una estructura de captacin de un manantial de ladera y concentrado.Figura 4.11 : Muro de gravedadDatos: ys = Peso especfico del suelo (1.92 Tn/m3). = ngulo de rozamiento interno del suelo (30). u = Coeficiente de friccin (0.42). Yc = Peso especfico del concreto (2.4 Tn/m3). f ' c = 175Kg/cm2.CT= 1 Kg/cm2.1 . Empuje del suelo sobre el muro (P):P = 1/2 Cah vs h2 El coeficiente de empuje (Cah) es 1 - sen (j) Cah =- = 0.333 1 + sen y la altura del suelo (h) es igual 0.70 m. Resultando: P = 156.64 Kg.2. Momento de Vuelco (Mo):w w (Kg.) 0.55x0.15x2.40 198.0 1.00x0.15 x 2.40 0.55 x 360.0 0.05 x 1.92 52.8Mo = P x Y = 36.55 Kg-m., considerando Y = h/3 = 0.233 m. X (m.)3. Momento de Estabilizacin (Mr) y el peso W:Mr = X W (Kg./m.) 54.45 153.00 27.72w, w2 w30.275 0.425 0.525wTTOTAL610.8235.17 0.325Mr - Mo a wT235.17 610.8036.550 0.18 (*) 0.36 0.55 (*) Pasa por el tercio central4. Chequeo:Por vuelco: Mr 235.17 C d v = - = -= 6.43 > 1.6 bien. Mo 36.55 Mxima carga unitaria: WT P, = (41 - 6a)- = 0.05 Kg/cm2. I2 WT P2 = (6a - 21)- = 0.171 Kg/cm2. I2 P2 = 0.171 Kg/cm2 < 1 Kg/cm2 bien. Por deslizamiento: F 256.536 Chequeo = - = - = 1.64 > 1.6 bien. P 156.64 Para u = 0.42 y F = u x WT = 256.536 Kg.CAPTULO 5 LNEA DE CONDUCCINLa lnea de conduccin en un sistema de abastecimiento de agua potable por gravedad es el conjunto de tuberas, vlvulas, accesorios, estructuras y obras de arte encargados de la conduccin del agua desde la captacin hasta el reservorio, aprovechando la carga esttica existente. Debe utilizarse al mximo la energa disponible para conducir el gasto deseado, lo que en la mayora de los casos nos llevar a la seleccin del dimetro mnimo que permita presiones iguales o menores a la resistencia fsica que el material de la tubera soporte. Las tuberas normalmente siguen el perfil del terreno, salvo el caso de que, a lo largo de la ruta por donde se debera realizar la instalacin de las tuberas, existan zonas rocosas insalvables, cruces de quebradas, terrenos erosionables, etc. que requieran de estructuras especiales. Para lograr un mejor funcionamiento del sistema, a lo largo de la lnea de conduccin puede requerirse cmaras rompe presin, vlvulas de aire, vlvulas de purga, etc. Cada uno de estos elementos precisa de un diseo de acuerdo a caractersticas particulares. Todas estas consideraciones sern desarrolladas en el presente captulo y servirn para disear y definir los dimetros de las tuberas y la ubicacin de las cmaras rompe-presin.5.1 CRITERIOS DE DISEOA) B)Definido el perfil de la lnea de conduccin, es necesario considerar criterios de diseo que permitan el planteamiento final en base a las siguientes consideraciones:CARGADISPONIBLE DE DISEOLa carga disponible (Figura 5.1) viene representada por l a diferencia de elevacin entre la obra de captacin y el reservorio.GASTOEl gasto de diseo es el correspondiente al gasto mximo diario (Qmd), el que s e estima considerando el caudal medio de la poblacin para el perodo de diseo seleccionado (Qm) y el factor K l del da de mximo consumo ( v e r Captulo 2).CAPTACIONCARGA DISPONIBLE -I-1-1-1-1> DISTANCIA (m)Figura 5.1 : Carga disponible en la b'nea de conduccinc) CLASESDE TUBERALas clases de tubera a seleccionarse estarn definidas por las mximas presiones que ocurran en la lnea representada por la lnea de carga esttica. Para la seleccin se debe considerar una tubera que resista la presin ms elevada que pueda producirse, ya que la presin mxima no ocurre bajo condiciones de operacin, sino cuando se presenta la presin esttica, al cerrar la vlvula de control en la tubera. En la mayora de los proyectos de abastecimiento de agua potable para poblaciones rurales se utilizan tuberas de PVC. Este material tiene ventajas comparativas con relacin a otro tipo de tuberas: es econmico, flexible, durable, de poco peso y de fcil transporte e instalacin; adems, son las tuberas que incluyen dimetros comerciales menores de 2 pulg y que fcilmente se encuentran en el mercado. En el Cuadro 5.1 y la Figura 5.2, se presentan las clases comerciales de tuberas PVC con sus respectivas cargas de presin.CUADRO 5.1: Clase de tuberas PVC y mxima presin de trabajoCLASE PRESIN MXIMA DE PRESIN MXIMA DE PRUEBA (m.) TRABAJO (m.) 50 75 105 150 ~~ -y^ O E 35 50 70 1005 7.5 10 15NIVEL DE CAROA ESTATICA ORA____\ \BPERFIL DEL TERRENOs TE [ Llh ITE [ E' IE T UB. JB. XA PV C E3 CLA SEr.sUMTU BPV Cl_iSfctu/yLIM TE >E UB.tDISTANCIAlm)PV CCLJ.SE19l,SOOm ...TRAMO A B : TUBERIA CLASE 5 B C : TUBERIA CLASE 7.5 C D : TUBERIA CLASE lO DE : TUBERIA CLASE 15Figura 5.2 : Presiones mximas de trabajo para diferentes clases de tuberas PVCCuando las presiones sean mayores a las que soporta la tubera PVC, cuando la naturaleza del terreno haga antieconmica la excavacin y donde sea necesaria la construccin de acueductos, se recomienda utilizar tubera de fierro galvanizado.D)DIMETROSPara determinar los dimetros se consideran diferentes soluciones y se estudian diversas alternativas desde el punto de vista econmico. Considerando el mximo desnivel en toda la longitud del tramo, el dimetro seleccionado deber tener la capacidad de conducir el gasto de diseo con velocidades comprendidas entre 0.6 y 3.0 m/s; y las prdidas de carga por tramo calculado deben ser menores o iguales a la carga disponible.E)ESTRUCTURAS COMPLEMENTARIAS - Vlvulas de aireEl aire acumulado en los puntos altos provoca la reduccin del rea de flujo del agua, produciendo un aumento de prdida de carga y una disminucin del gasto. Para evitar esta acumulacin es necesario instalar vlvulas de aire pudiendo ser automticas o manuales. Debido al costo elevado de las vlvulas automticas, en la mayora de las lneas de conduccin se utilizan vlvulas de compuerta con sus respectivos accesorios que requieren ser operadas peridicamente, (ver Figura 5.3).- Vlvulas de purgaLos sedimentos acumulados en los puntos bajos de la lnea de conduccin con topografa accidentada, provocan la reduccin del rea de flujo del agua, siendo necesario instalar vlvulas de purga que permitan peridicamente la limpieza de tramos de tuberas (ver Figura 5.4).- Cmaras rompe-presinCuando existe mucho desnivel entre la captacin y algunos puntos a lo largo de la lnea de conduccin, pueden generarse presiones superiores a la mxima que puede soportar una tubera. En esta situacin, es necesaria la construccin de c m a r a s rompe-presin q u e permitan disipar la energa y reducir la presin relativa a cero (presin atmosfrica), con la finalidad de evitar daos en la tubera. Estas estructuras permiten utilizar tuberas de menor clase, reduciendo considerablemente los costos en las obras de abastecimiento de agua potable.En la Figura 5.5 se ilustra la ubicacin de las estructuras complementarias de la lnea de conducin.5.2 LINEA HIDRULICA DE GRADIENTELa lnea de gradiente hidrulica (L.G.H.) indica la presin de agua a lo largo de la tubera bajo condiciones de operacin. Cuando se traza la lnea de gradiente hidrulica para un caudal que descarga libremente en la atmsfera (como dentro de un tanque), puede resultar que la presin residual en el punto de descarga se vuelva positiva o negativa, como se ilustra en la Figura 5.6.IZOO 1400 DISTANCIA ( m IFigura 5.5 : Ubicacin de estructuras complementariasEn el Figura 5.6a se observa la presin residual positiva, que indica que h a y un exceso de energa gravitacional; quiere decir, que hay energa suficiente para mover el flujo. En la Figura 5.6b se observa la presin residual negativa, que indica que no hay suficiente energa gravitacional para mover la cantidad deseada de agua; motivo suficiente para que la cantidad de agua no fluya. Se puede volver a trazar la L.G.H. usando un menor caudal y/o un dimetro mayor de tubera con la finalidad de tener en toda la longitud de la tubera una carga operativa de agua positiva.5.3 PRDIDA DE CARGANIVEL ESTATICO PERDIDA DE CARGA PRESION RESIDUAL POSITIVA (+)o ) PRESION RESIDUAL POSITIVANIVEL ESTATICOb ) PRESION RESIDUAL NEGATIVALa prdida de carga es el gasto de energa necesario para vencer las resistencias que se oponen al movimiento del fluido de un punto a otro en una seccin de la tubera. Las prdidas de carga pueden ser lineales o de friccin y singulares o locales. Las primeras, son ocasionadas por la fuerza de rozamiento en la superficie de contacto entre el fluido y la tubera; y las segundas son producidas por las deformaciones de flujo, cambio en sus movimientos y velocidad (estrechamientos o ensanchamientos bruscos de la seccin, torneo de las vlvulas, grifos, compuertas, codos, etc.).PERDIDA DE CARGAFigura 5.6 : Presiones residuales positivas y negativasCuando las prdidas locales son ms del 10% de las prdidas de friccin, la tubera se denomina corta y el clculo se realiza considerando la influencia de estas prdidas locales.Debido a que en la lnea de conduccin las prdidas locales no superan el 10%, para realizar los clculos hidrulicos solamente se consideran las prdidas por friccin.A)PRDIDADE CARGA UNITARIAPara el clculo de la prdida de carga unitaria, pueden utilizarse muchas frmulas, sin embargo una de las ms usadas en conductos a presin, es la de Hazen y Williams. Esta frmula es vlida nicamente para tuberas de flujo turbulento, con comportamiento hidrulico rugoso y con dimetros mayores a 2 pulg. Las Normas del Ministerio de Salud, para el clculo hidrulico recomiendan el empleo de la frmula de Fair-Whipple para dimetros menores a 2 pulg.; sin embargo se puede utilizar la frmula de Hazen y Williams, con cuya ecuacin los fabricantes de nuestro pas elaboran sus nomogramas en los que incluyen dimetros menores a 2 pulg. (ver Figura 5.7). Para los propsitos de diseo se considera: Ecuacin de Hazen y Williams Q = 0.0004264 C D2 64 hf Donde: D = Dimetro de la tubera (pulg). Q = Caudal (1/s). hf = Prdida de carga unitaria (m/Km). C = Coeficiente de Hazen-Williams expresado en (pie)1/2/seg. En caso de usar: MATERIAL C Fierro fundido Concreto Acero Asbesto Cemento/P.V.C 100 110 120 140Para una tubera de PVC o asbesto-cemento, donde el valor de C= 140; el caudal, la prdida de carga unitaria y el dimetro quedan definidos como: Q = 2.492 x D2-63 x hf54 hf = (-)'85 (53) 2.492 x D263 D= 0.71 xQ038 hf021(53) QO n Ll./q. d n pulgadas n mltosimoiGasto en Lt./seg.Figura 5.7 : Nomograma para la frmula de Hazen y Williams (para tubera con C = 140)Donde: Q = Caudal (1/s). hf = Prdida de carga unitaria (m/m). D = Dimetro de la tubera (pulg).Ecuacin de Fair-WhipplePara una tubera donde el valor de C=140, el caudal, la prdida de carga unitaria y el dimetro quedan definidos como: Q = 2.8639 xD2 71 xhf0 57 (5) Q h f = ( -)175 2.8639 x D271 Q ^ D = ( -)057 (5J) 2.8639 x h f 057 Donde: Q = Caudal en 1/s. hf = Prdida de carga unitaria en m/m. D = Dimetro en pulg.B)PRDIDADE CARGA POR TRAMOLa prdida de carga por tramo (Hf) se define como: H f = h f x L (T) Siendo L la longitud del tramo de tubera (m). Para determinar la prdida de carga por tramo es necesario conocer los valores de carga disponible, el gasto de diseo y la longitud del tramo de tubera. Con dicha informacin y con el uso de nomogramas o la aplicacin de frmulas se determina el dimetro de tubera. En caso de que el dimetro calculado se encuentre entre los rangos de dos dimetros comerciales se selecciona el rango superior o se desarrolla la combinacin de tuberas. Con el dimetro o los dimetros seleccionados se calculan las prdidas de carga unitaria para finalmente estimar la prdida de carga por tramo.EJEMPLO:Determinar los clculos hidrulicos de la lnea de conduccin para la siguiente condicin: Datos: Gasto de diseo(Qmd) =2.11/s. Longitud de tubera (L) = 380 m. Cota captacin (cota cap.) = 2500 msnm. Cota reservorio(R) = 2450 msnm.E n l a Figura 5 . 8 s e presenta u n ejemplo cuya informacin es la siguiente:CAPTACION NIVEL DE CANGA ESTATICA 2SOO -1651 7~~^ ............................\ "-"i ,2450 -Y1ICC 200 DISTANCIO m) 300 8Figura 5.8 : Perfil longitudinal de una lnea de conduccinConsiderando un solo dimetro de tubera. Clculos: Carga disponible = Cota capt. - Cota reserv. = 2500 - 2450 = 50 m. Prdida de Carga unitaria(hf) 50 hf= - = 380 Carga disponible 0.1316(131.6/ ) Para determinar el valor del dimetro mediante el uso del nomograma de Hazen-Williams (Figura 5.7), se consideran los valores del gasto de diseo (2.11/s) y la prdida de carga unitaria (131.6 m. por cada 1000 m). Con dicha informacin resulta u n dimetro de tubera comprendida entre 1" y 1 1/2". Como el diseo considera un solo dimetro, se selecciona el de 1 1/2". La prdida de carga unitaria real se estima con la ayuda del nomograma cuyos valores de entrada son el gasto de diseo (2.11/s) y el dimetro selecccionado (1 1/2"); resultando el valor de 100/^. Adicionalmente se hace lectura de la velocidad cuyo valor es de 1.9 m/s y se encuentra dentro del rango recomendado. Conocido el valor de la prdida de carga unitaria se estiman los valores de prdida de carga por tramo: Prdida de carga unitaria(hf) Prdida de carga en el tramo (Hf) 100 /oo L x h f 1000 380x 100 H f = - = 38.00 m. 1000Para determinar con mayor precisin el valor del dimetro de tubera, se utilizan las ecuaciones de Hazen-Williams y de Fair Whipple. En caso que el resultado no represente un dimetro comercial, al igual que con el uso del nomograma, se selecciona el dimetro mayor. Considerando los datos del ejemplo y reemplazando en la ecuacin 5.4 (Hazen-Williams), se obtiene el valor del dimetro (D): Reemplazando los valores de Q (2.11/s) y hf (0.1316 m/m) se obtiene: D = 1.44"; siendo su valor comercial de 1 1/2" Con el valor del dimetro comercial de tubera selecccionada de 11/2" y el gasto de diseo de 2.11/s se estima la prdida de carga unitaria mediante la ecuacin 5.3, resultando: h f = 0.1013 m/m. Prdida de carga en el tramo (Hf) = L x hf Hf= 380x0.1013 = 38.50 m. Este valor permite el clculo de la presin dinmica, como se describe en el siguiente acpite.Figura 5.9 : Energas de posicin, presin y velocidad5.4 PRESIONEn la lnea de conduccin, la presin representa la cantidad de energa gravitacional contenida en el agua. En un tramo de tubera que est operando a tubo lleno, podemos plantear la ecuacin de Bernoulli: Z, +V,22g= z2v22 + Hf 2g+Donde: Z = Cota del punto respecto a un nivel de referencia arbitraria (m). P = Altura o carga de presin "P es la presin y y el peso Y especfico del fluido" (m). V = Velocidad media del punto considerado (m/s). Hf = Es la prdida de carga que se produce en el tramo de 1 a 2 (m). Se asume que la velocidad es despreciable debido a que la carga de velocidad, considerando las velocidades mximas y mnimas, es de 46 cm. y 18 cm. En base a esta consideracin la ecuacin 5.9 queda definida como:Se recomienda iniciar el diseo desde la cmara de captacin. En esta estructura la presin es igual a la presin atmosfrica, por lo que la carga de presin se asume como cero. El mismo criterio se aplica cuando se considera en el diseo como punto de partida una cmara rompe presin, resultando al final del tramo: ? 2 f*\-= z,-z2-Hf (s.imFigura 5.10 : Energas de posicin y presinD IS T AN C I A ( m )Figura 5.11: Equilibrio de presiones dinmicasUtilizando los datos del ejemplo anterior y considerando el valor de Hf = 38.50 m., se presenta el clculo de la cota piezomtrica y de la presin al final del tramo (Figura 5.12): cota piez.reserv. = cota terr.cap. - Hf cotapiez.reserv. = 2500.00 - 38.50 = 2461.50 presin final del tramo = cota piez.reserv - cota reserv. presin final del tramo = 2461.50 - 2450.00 = 11.50 m.Figura 5.12 : Representacin de la presin final, prdida de carga por tramo y lnea de gradiente hidrulica (L.G.H.)5.5 COMBINACIN DE TUBERASCuando se disea una seccin de tubera puede no haber un dimetro nico de tubera disponible que d el factor de prdida de carga por friccin deseado. En este caso se usar una combinacin de dimetros de tuberas. El mtodo para disear la lnea de conduccin mediante la combinacin de tuberas tiene las ventajas de: manipular las prdidas de carga, conseguir presiones dentro de los rangos admisibles y disminuir considerablemente los costos del proyecto; al emplearse tuberas de menor dimetro y en algunos casos, evita un mayor nmero de cmaras rompe presin. La longitud de cada tubera debe ser suficiente como para que la suma de las prdidas de carga de cada una sea igual a la prdida de carga total deseada. De la Figura 5.13 se define lo siguiente: Hf = Prdida de carga total deseada (m). L = Longitud total de tubera (m). X = Longitud de tubera del dimetro menor (m). L-X = Longitud de tubera del dimetro mayor (m). hfl = Prdida de carga unitaria de la tub.de mayor dimetro. hf2 = Prdida de carga unitariadelatub.de menor dimetro, hfl x (L - X) = Prdida de carga del tramo de dimetro mayor (Hfl). hf2 x X = Prdida de carga del tramo de dimetro menor (Hf2).Figura 5.13 : Perfil de la combinacin de tuberasLa prdida de carga total deseada Hf, es la suma de las prdidas de carga en los dos tramos de tubera. Hf=hf2xX + hfl x(L-X) Despejando el valor de la longitud de la tubera de dimetro menor (X) resulta: Hf-(hfl xL) X= hf2 - hflEJEMPLO:Con la finalidad de mostrar paso a paso el procedimiento de diseo de la lnea de conduccin, se considera un proyecto desarrollado por SER en la sierra norte del departamento de Lima (Figura 5.14). Datos: Qmd Cota captacin Cota del reservorio Carga disponible = 1.181/s. = 3506.00 m.s.n.m. = 3322 m.s.n.m. = 184 m.COTA (m.s.n.m.) CAMARA DE CAPTACIONCOTA : 3SO6.0O34 50 .COTA : 3468.5 0 261 m .0* 1-1/2"COTA : 332S.OORESERVACOTA: 3322-00Figura 5.14 : Perfil de la lnea de conduccinAnlisis preliminarPara la instalacin de la lnea de conduccin se proyecta el uso de tuberas de PVC, clase 10 y C=140. Los dimetros y longitudes sern definidos mediante clculos hidrulicos considerando velocidades mximas y mnimas de 3.0 m/s y 0.6 m/s, respectivamente; mientras que para la ubicacin de las cmaras rompe presin, se consideran presiones estticas mximas de 70 m. y presiones dinmicas mnimas de 5 m. La carga disponible entre la cmara de captacin y el reservorio de regulacin es de 184 m. Este valor es mayor que la presin mxima de trabajo que soportaran las tuberas PVC, por lo que es necesario plantear la construccin de dos cmaras rompe presin. Como se puede observar en la Figura 5.15, desde la captacin a la rompe presin nro 1 hay 420 m de longitud y 59 m de desnivel. En este tramo si se instalara una tubera de 1", se obtendran presiones negativas, por consiguiente ser necesario utilizar una tubera de mayor dimetro.CAPTACIONFigura 5.15 : Perfil longitudinal desde la captacin a la rompe - presin N 1Clculo preliminar de la prdida de carga unitaria disponible: 59hf =-x 1000 = 140 "/OO420 En el nomograma de Hazen y Williams (Figura 5.7), con Qmd = 1.181/s y hf= 140 / , se obtiene un dimetro entre 1" y 1 1/2". En base a esta informacin, se proyecta realizar una combinacin de tuberas considerando una presin residual de 10 m. y dimetros comerciales de 1 y 1 1/2". El segundo tramo, comprendido entre la rompe presin nro. 1 y la rompe-presin nro. 2 tiene 540 m. de longitud y 69.50 m. de desnivel. Si se considerase una tubera de 1" resultara una presin negativa, mientras que con tubera de 1 1/2" resulta una presin mayor que la residual deseada (20 m.); por lo que, al igual que en el primer tramo, se realiza una combinacin de tuberas adoptando dimetros de 1" y 1 1/2".La presin residual, como se indica en el item 5.2, es la energa necesaria para mover el flujo, pudiendo ser sta igual o mayor a cero. Las Normas del Ministerio de Salud recomiendan presiones dinmicas mayores de 5 metros y menores de 50 metros, siendo ello motivo mas que suficiente para que en el presente ejemplo se asuma arbitrariamente 10 y 20 metros de presin residual para el primer y segundo tramo, respectivamente. A partir de la rompe presin nro. 2, hay 55.50 m. de desnivel hasta la ubicacin del reservorio. A pesar de no ser necesaria, se instalar la cmara rompe presin nro. 3 a un desnivel de 48.75 m. Esta cmara cumplir la funcin de suministrar directamente el agua a la lnea de aduccin y que la poblacin no se perjudique cuando se realice la limpieza o reparacin del reservorio. Se ha identificado como tercero el tramo comprendido entre la rompe presin nro. 2 y la rompe presin nro. 3, y como cuarto al tramo comprendido entre la rompe presin nro. 3 y el reservorio; en este caso, a diferencia de los dos primeros tramos, se proyecta la instalacin de tubera de un solo dimetro usndose 1" para el tercer tramo y 1 1/2" para el cuarto tramo (ver Figura 5.14). La identificacin de tramos con sus respectivas longitudes, cotas y desnivel se muestran en el siguiente Cuadro:CUADRO 5.2: Identificacin de tramos en la lnea de conduccinTRAMO LONGITUD COTAS INICIAL Capt. - CRl CRl-CR2 CR2-CR3 CR3 - Reser. 420 540 110 17.5 3506.00 3447.00 3377.50 3328.75 FINAL 3447.00 3377.50 3328.75 3322.00 59.00 69.50 48.75 6.75 DIFER. DE COTAProcedimiento de clculoA fin de presentar el diseo de la tubera, se agruparn los tramos con semejantes requerimientos de clculo. Para el caso del primer y segundo tramo, se utilizar la combinacin de tuberas con dimetros de 1 1/2" y 1". El procedimiento de clculo en base al item 5.5, considera como conocidos la longitud de tubera, el caudal de diseo y una prdida de carga por friccin deseada.Los datos y clculos se ordenan en forma tabular en el Cuadro 5.3. Los valores de cada columna se explican a continuacin: Columna 1 Columna 2 Columna 3 Columna 4 Columna 5 Columna 6 Columna 7 Columna 8 Columna 9 Identificacin del tramo. Longitud total del tramo (L) en m. Caudal de diseo (Qmd) en 1/s. Cota inicial del terreno en m.s.n.m. Cota final del terreno en m.s.n.m. Presin residual deseada (p) en m. Prdida de carga deseada (Hf) en m. Se calcula mediante: Col.4 - Col.5 - Col.6. Prdida de carga unitaria deseada (hf) en m. Se calcula mediante : Col.7/Col.2 (para cada dimetro seleccionado). Dimetros considerados en la combinacin de tuberas (pulg.). Estos dimetros se eligen en base al valor del dimetro para el coeficiente C=l 40, obtenido mediante la ecuacin: D 0.71 x Q hf2 Por ejemplo; para el primer tramo se tiene: Q = 1.181/s (Col.3). hf = 0.1167m/m(Col.8). Aplicando la frmula se obtiene un dimetro (D) de 1.16". Este valor se encuentra entre los dimetros comerciales de 1" y 1 1/2", los que sern utilizados para la combinacin. Columna 10 Velocidad del flujo (V) definida mediante la frmula: Q V = 1.9735 D2 Siendo Q el gasto en 1/s (Col.3) y D el dimetro en pulg. (Col. 9). Columna 11 Prdida de carga unitaria (hfl y hf2) en m., calculada para cada dimetro de tubera seleccionada mediante la ecuacin: Q hf = ( 2.492 x D2 Donde: Q = gasto en 1/s (Col.3). D = dimetro en pulg (Col.9).Columna 12 Longitud de tubera: Para el dimetro mayor es igual a la longitud total (L) menos la longitud de tubera de dimetro menor (X). Para el dimetro menor es igual a X, siendo: Hf-(hfl xL) X= hf2 - hf