PROYECTO DE GRADO ESTRUCTURA DE RETENCIÓN DE …

PROYECTO DE GRADO

ESTRUCTURA DE RETENCIÓN DE BASURAS A LA ENTRADA DE

TANQUES DE TORMENTA, COMO PARTE DE LOS SISTEMAS DE

DRENAJE URBANO INTELIGENTE

Andrés Felipe Oviedo Castaño

Asesor: Juan G. Saldarriaga Valderrama

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

INGENIERÍA CIVIL

BOGOTÁ D.C.

2016

AGRADECIMIENTOS

A Dios, por iluminar mi camino y permitirme alcanzar todos mis sueños.

A mis Padres y Hermanos, por siempre estar presentes y apoyarme en cada decisión y proyecto;

Enoris y German, estoy profundamente agradecido por todo lo que han hecho por mí, los amo con

todo mi corazón.

A Nicholl Serrato por estar en los mejores momentos, como también en los malos; te amo

muchísimo.

A Amigos y compañeros de universidad quienes fueron mi apoyo a lo largo de la carrera.

A Juan Guillermo Saldarriaga, por enseñarme todo lo relacionado con la hidráulica.

A John Adalberto Calvo por su paciencia, creatividad y ayuda incondicional en el laboratorio.

A Dante, por alegrarme todos los días.

Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Estructura de retención de basuras a la entrada de tanques de tormenta, como parte de los sistemas de drenaje urbano inteligentes

Andrés Felipe Oviedo Castaño Proyecto de Grado i

TABLA DE CONTENIDO

1 Introducción ................................................................................................................................ 1

1.1 Objetivos ............................................................................................................................. 2

2 Marco teórico .............................................................................................................................. 3

2.1 Sistema de Drenaje Urbano ................................................................................................ 3

2.2 Tanque de Tormenta ........................................................................................................... 4

2.3 Sumidero ............................................................................................................................. 4

2.3.1 Clasificación de Acuerdo a la Forma de Captación ..................................................... 5

2.3.2 Clasificación de Acuerdo con el Diseño de la Caja ...................................................... 7

2.4 Canal Abierto ....................................................................................................................... 9

2.4.1 Canal Abierto Rectangular ........................................................................................... 9

2.5 Energía Específica .............................................................................................................. 11

2.6 Número de Froude ............................................................................................................ 12

2.6.1 Flujo Subcrítico .......................................................................................................... 13

2.6.2 Flujo Crítico................................................................................................................ 13

2.6.3 Flujo Supercrítico ....................................................................................................... 14

2.7 Resalto Hidráulico ............................................................................................................. 14

2.8 Vertedero .......................................................................................................................... 15

2.8.1 Vertedero Circular ..................................................................................................... 16

2.9 Limnímetro ........................................................................................................................ 16

2.10 Resinas de Polietileno ....................................................................................................... 17

2.10.1 Resinas de Polietileno de Alta Densidad ................................................................... 17

2.10.2 Resinas de Polietileno de Baja Densidad ................................................................... 18

2.11 Especificaciones del Sumidero .......................................................................................... 18

2.11.1 Partes y Caracterización del Sumidero ...................................................................... 19

2.11.2 Ventajas y Características de los Sumideros de Referencia WAVIN ......................... 21


Andrés Felipe Oviedo Castaño Proyecto de Grado ii

3 Diseño y Construcción del Modelo Utilizado Para las Pruebas con la Estructura de Retención de

Basuras .............................................................................................................................................. 26

3.1 Montaje Previo .................................................................................................................. 26

3.2 Modificación del Montaje ................................................................................................. 32

3.3 Partes del Modelo ............................................................................................................. 37

3.3.1 Pantalla ...................................................................................................................... 38

3.3.2 Sensor de Nivel 1 ....................................................................................................... 38

3.3.3 Sensor de Nivel 2 ....................................................................................................... 39

3.3.4 Limnímetro ................................................................................................................ 40

3.3.5 Rejilla ......................................................................................................................... 40

3.3.6 Vertedero Circular ..................................................................................................... 41

3.3.7 Malla Conexión Sedimentador entre Tanque y Tubo ............................................... 41

3.3.8 Rejilla Exterior y Malla Recolectora........................................................................... 42

4 Metodología .............................................................................................................................. 44

4.1 Pruebas de Captación de Agua .......................................................................................... 44

4.2 Pruebas de Retención de Basura Flotante ........................................................................ 47

4.3 Pruebas de Retención de Basura No Flotante................................................................... 49

5 Resultados ................................................................................................................................. 53

5.1 Ajuste de Pendiente .......................................................................................................... 53

5.2 Prueba de Captación de Agua ........................................................................................... 54

5.2.1 Parámetros de Interés ............................................................................................... 54

5.2.2 Tablas de Resultados Obtenidos ............................................................................... 55

5.3 Prueba de Retención de Basura Flotante .......................................................................... 58



5.4 Prueba de Retención de Basura No Flotante .................................................................... 63



6 Análisis de resultados ................................................................................................................ 68


Andrés Felipe Oviedo Castaño Proyecto de Grado iii

6.1 Captación de Agua............................................................................................................. 68

6.1.1 Cálculos Realizados ................................................................................................... 68

6.1.2 Análisis de Eficiencia Respecto al Caudal de Entrada ............................................... 70

6.1.3 Análisis de Eficiencia Respecto a Parámetros Hidráulicos (Velocidad de Flujo, Número

de Froude y Profundidad de Flujo) ............................................................................................ 82

6.2 Retención de Basura Flotante ......................................................................................... 101

6.2.1 Cálculos Realizados ................................................................................................. 101

6.2.2 Análisis de Eficiencia Respecto al Caudal de Entrada ............................................. 103


de Froude y Profundidad de Flujo) .......................................................................................... 116

6.3 Retención de Basura No Flotante.................................................................................... 134

6.3.1 Cálculos Realizados ................................................................................................. 134

6.3.2 Análisis de Eficiencia Respecto al Caudal de Entrada ............................................. 136


de Froude y Profundidad de Flujo) .......................................................................................... 148

7 Conclusiones............................................................................................................................ 169

8 Recomendaciones ................................................................................................................... 171

9 Referencias .............................................................................................................................. 173

10 Anexos ................................................................................................................................. 176


Andrés Felipe Oviedo Castaño Proyecto de Grado iv

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Limnímetro utilizado en el proyecto de investigación. ...................................................................... 17

Figura 2. Resina de Polietileno utilizada en el proyecto de investigación. ....................................................... 18

Figura 3. Corte de láminas de triplex para diseño del cajón. ........................................................................... 32

Figura 4. Secciones típicas del cajón previo al armado. ................................................................................... 32

Figura 5. Cajón armado. ................................................................................................................................... 33

Figura 6. Cajón con implementación de capas de pintura. .............................................................................. 33

Figura 7. Estructuras hidráulicas para normalización de flujo. ......................................................................... 33

Figura 8. Vista lateral del cajón con los disipadores de energía. ...................................................................... 33

Figura 9. Realización de la pantalla para normalizar el flujo de entrada. ........................................................ 33

Figura 10. Eje diseñado para el movimiento rotatorio del cajón. .................................................................... 34

Figura 11. Implementación de platinas para unión entre cajón y canal rectangular. ...................................... 34

Figura 12. Corte longitudinal del canal rectangular y de la sección de la rejilla. .............................................. 35

Figura 13. Vista del canal posterior a la ubicación del cajón y el corte de la rejilla y canal. ............................ 35

Figura 14. Ubicación de la rejilla tipo ventana en el canal. .............................................................................. 36

Figura 15. Ubicación del tanque en el canal mediante gato hidráulico. .......................................................... 36

Figura 16. Vista transversal del canal posterior a unión del sumidero. ........................................................... 36

Figura 17. Ubicación de Sensores de nivel. ...................................................................................................... 37

Figura 18. Montaje de Diseño Culminado. ....................................................................................................... 37

Figura 19. Pantalla para control de flujo. ......................................................................................................... 38

Figura 20. Sensor de nivel 1. ............................................................................................................................. 39

Figura 21. Sensor de nivel 2. ............................................................................................................................. 39

Figura 22. Limnímetro. ..................................................................................................................................... 40

Figura 23. Rejilla del Sumidero. ........................................................................................................................ 41

Figura 24. Vertedero Circular. .......................................................................................................................... 41

Figura 25. Malla de conexión entre tanque y tubo. ......................................................................................... 42

Figura 26. Malla recolectora. ............................................................................................................................ 42

Figura 27. Rejilla exterior sin malla de retención. ............................................................................................ 43

Figura 28. Rejilla exterior con malla de retención. ........................................................................................... 43


Andrés Felipe Oviedo Castaño Proyecto de Grado v

Figura 29. Diagrama de flujo para realización de pruebas de captación de agua (Parte 1). ............................ 45



Figura 32. Diagrama de flujo para realización de pruebas de retención de basura flotante (Parte 1). ........... 48

Figura 33. Diagrama de flujo para realización de pruebas de retención de basura flotante (Parte 2). ........... 49

Figura 34. Diagrama de flujo para realización de pruebas de retención de basura no flotante (Parte 1). ...... 51

Figura 35. Diagrama de flujo para realización de pruebas de retención de basura no flotante (Parte 2). ...... 52

Figura 36. Caudalímetro utilizado en el modelo para la determinación del caudal de entrada. ..................... 54

Figura 37. Peso de entrada de la basura flotante. ............................................................................................ 59

Figura 38. Malla recolectora en uso para prueba de basura flotante. ............................................................. 60

Figura 39. Malla con agregado flotante recolectado........................................................................................ 61

Figura 40. Trampa de arena con la basura no flotante captada en prueba. .................................................... 64

Figura 41. Malla recolectora en uso para prueba de basura no flotante. ........................................................ 65


Andrés Felipe Oviedo Castaño Proyecto de Grado vi

ÍNDICE DE GRÁFICAS

Gráfica 1. Caudal de entrada vs. Eficiencia para una pendiente del 5%. ......................................................... 72





Gráfica 6. Caudal de entrada vs. Eficiencia en función de las diferentes pendientes evaluadas. .................... 82

Gráfica 7. Profundidad de flujo vs. Eficiencia para una pendiente del 5%. ...................................................... 84

Gráfica 8. Velocidad vs. Eficiencia para una pendiente del 5%. ....................................................................... 85

Gráfica 9. Número de Froude vs. Eficiencia para una pendiente del 5%. ........................................................ 86

Gráfica 10. Profundidad de flujo vs. Eficiencia para una pendiente del 4%. .................................................... 87

Gráfica 11. Velocidad vs. Eficiencia para una pendiente del 4%. ..................................................................... 88

Gráfica 12. Número de Froude vs. Eficiencia para una pendiente del 4%. ...................................................... 89










Gráfica 22. Profundidad de flujo vs. Eficiencia en función de las diferentes pendientes evaluadas. .............. 99

Gráfica 23. Velocidad vs. Eficiencia en función de las diferentes pendientes evaluadas. .............................. 100

Gráfica 24. Caudal de entrada vs. Profundidad de flujo para las diferentes pendientes evaluadas. ............. 100

Gráfica 25. Caudal de entrada vs. Velocidad en función de las diferentes pendientes evaluadas. ............... 101

Gráfica 26. Caudal de entrada vs. Eficiencia de captación de caudal para una pendiente del 5%................. 104

Gráfica 27. Caudal de entrada vs. Eficiencia de retención de basura flotante para una pendiente del 5%. .. 104



Andrés Felipe Oviedo Castaño Proyecto de Grado vii








Gráfica 36. Caudal de entrada vs. Eficiencia de caudal en función de las diferentes pendientes evaluadas. 113

Gráfica 37. Caudal de entrada vs. Eficiencia de basura flotante en las diferentes pendientes evaluadas. .... 115

Gráfica 38. Profundidad de flujo vs. Eficiencia de caudal para una pendiente del 5%. ................................. 117

Gráfica 39. Velocidad vs. Eficiencia de caudal para una pendiente del 5%. ................................................... 117

Gráfica 40. Profundidad de flujo vs. Eficiencia de basura flotante para una pendiente del 5%. ................... 118

Gráfica 41. Velocidad vs. Eficiencia de basura flotante para una pendiente del 5%. ..................................... 118

Gráfica 42. Número de Froude vs. Eficiencia de basura flotante para una pendiente del 5%. ...................... 119




Gráfica 46. Velocidad vs. Eficiencia de basura para una pendiente del 4%. .................................................. 121














Andrés Felipe Oviedo Castaño Proyecto de Grado viii





Gráfica 63. Profundidad de flujo vs. Eficiencia de Caudal de las diferentes pendientes evaluadas. .............. 131

Gráfica 64. Profundidad de flujo vs. Eficiencia de Basura flotante en las pendientes evaluadas. ................. 132

Gráfica 65. Velocidad vs. Eficiencia de Caudal de las diferentes pendientes evaluadas. ............................... 133

Gráfica 66. Velocidad vs. Eficiencia de Basura flotante de las diferentes pendientes evaluadas. ................. 134


Gráfica 68. Caudal de entrada vs. Eficiencia de retención de basura no flotante en pendiente del 5%. ....... 138





Gráfica 73. Caudal de entrada vs. Eficiencia de captación de caudal en pendiente del 2%. .......................... 143




Gráfica 77. Caudal de entrada vs. Eficiencia de Caudal en función de las diferentes pendientes evaluadas. 146

Gráfica 78. Caudal de entrada vs. Eficiencia de basura no flotante en las diferentes pendientes evaluadas.148



Gráfica 81. Profundidad de flujo vs. Eficiencia de basura no flotante para una pendiente del 5%. .............. 151

Gráfica 82. Velocidad vs. Eficiencia de basura no flotante para una pendiente del 5%. ............................... 151

Gráfica 83. Número de Froude vs. Eficiencia de basura no flotante para una pendiente del 5%. ................. 152







Andrés Felipe Oviedo Castaño Proyecto de Grado ix









Gráfica 97 Velocidad vs. Eficiencia de basura no flotante para una pendiente del 2%. ................................ 160



Gráfica 100. Velocidad vs. Eficiencia de caudal para una pendiente del 1%. ................................................. 163

Gráfica 101. Profundidad de flujo vs. Eficiencia de basura no flotante para una pendiente del 1%. ............ 164

Gráfica 102. Velocidad vs. Eficiencia de basura no flotante para una pendiente del 1%. ............................. 164

Gráfica 103. Número de Froude vs. Eficiencia de basura no flotante para una pendiente del 1%. ............... 165

Gráfica 104. Profundidad de flujo vs. Eficiencia de Caudal de las diferentes pendientes evaluadas. ............ 165

Gráfica 105. Profundidad de flujo vs. Eficiencia de Basura no flotante de las pendientes evaluadas. .......... 166

Gráfica 106. Velocidad vs. Eficiencia de Caudal de las diferentes pendientes evaluadas. ............................. 167

Gráfica 107. Velocidad vs. Eficiencia de Basura no flotante de las diferentes pendientes evaluadas. ......... 168


Andrés Felipe Oviedo Castaño Proyecto de Grado x

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Propiedades hidráulicas del flujo según número de Froude. ............................................................. 14

Tabla 2. Pendiente obtenida mediante el ajuste del canal. ............................................................................. 53

Tabla 3. Datos de la prueba de captación de agua para pendiente del 5%. ..................................................... 55





Tabla 8. Datos de la prueba de retención de basura flotante para pendiente del 5%. .................................... 62

Tabla 9. Datos de la prueba de retención de basura flotante para pendiente del 4%. .................................... 62

Tabla 10. Datos de la prueba de retención de basura flotante para pendiente del 3%. .................................. 62



Tabla 13. Datos de la prueba de retención de basura no flotante para pendiente del 5%. ............................. 66





Tabla 18. Cálculo de eficiencia para una pendiente del 5%. ............................................................................ 71





Tabla 23. Cálculo de área mojada, velocidad y número de Froude en pendiente del 5%................................ 83





Tabla 28. Cálculo de eficiencia de captación de agua y retención de basura flotante en pendiente del 5%. 103


Andrés Felipe Oviedo Castaño Proyecto de Grado xi





Tabla 33. Comparación de eficiencia de captación de agua en las diferentes pruebas. ................................ 114

Tabla 34. Cálculo de área mojada, velocidad y número de Froude en pendiente del 5%.............................. 116





Tabla 39. Cálculo eficiencia de captación de agua y retención de basura no flotante en pendiente del 5%. 136





Tabla 44. Comparación de eficiencia de captación de agua en las diferentes pruebas. ................................ 147







Andrés Felipe Oviedo Castaño Proyecto de Grado xii

ÍNDICE DE ECUACIONES

Ecuación 1. Área mojada para un canal de sección rectangular. ..................................................................... 10

Ecuación 2. Perímetro mojado para un canal de sección rectangular. ............................................................ 10

Ecuación 3. Radio hidráulico para un canal de sección rectangular. ................................................................ 11

Ecuación 4. Número de Froude para un canal rectangular. ............................................................................. 13

Ecuación 5. Ecuación de calibración del vertedero circular. ............................................................................ 16

Ecuación 6. Cálculo del caudal no retenido por el sumidero. .......................................................................... 68

Ecuación 7. Cálculo de eficiencia de captación de agua en el sumidero. ......................................................... 68

Ecuación 8. Cálculo del área mojada en el cajón del modelo........................................................................... 69

Ecuación 9. Cálculo del área mojada en el canal del modelo. .......................................................................... 69

Ecuación 10. Cálculo de la velocidad en el cajón del modelo. ......................................................................... 70

Ecuación 11. Cálculo de la velocidad en el canal del modelo. .......................................................................... 70

Ecuación 12. Cálculo del número de Froude en el cajón del modelo. .............................................................. 70

Ecuación 13. Cálculo del número de Froude en el canal del modelo. .............................................................. 70

Ecuación 14. Regresión polinómica del Caudal de entrada vs. Eficiencia para una pendiente del 5%. ........... 72





Ecuación 19. Regresión polinómica de la Profundidad de flujo vs. Eficiencia para una pendiente del 5%. ..... 84

Ecuación 20. Regresión polinómica de la Velocidad vs. Eficiencia para una pendiente del 5%. ...................... 85










Andrés Felipe Oviedo Castaño Proyecto de Grado xiii

Ecuación 29. Cálculo del peso retenido por el sumidero. .............................................................................. 102

Ecuación 30. Cálculo de la eficiencia de retención de basura flotante en el sumidero. ................................ 102

Ecuación 31. Cálculo del peso retenido en la trampa de arena de basura no flotante. ................................. 135


Andrés Felipe Oviedo Castaño Proyecto de Grado 1

1 INTRODUCCIÓN

Tradicionalmente, las inundaciones están asociadas a problemas de capacidad de las redes de

alcantarillado, es por esto que diferentes propuestas han sido presentadas como soluciones a

problemas de inundaciones como lo son los tanques de tormenta. Los tanques de tormenta son

elementos cuya función principal es laminar el caudal dado que es un depósito de captación y

retención de aguas lluvias el cual logra una disminución en la probabilidad de inundación luego de

un evento de lluvia intenso.

Dentro de las ventajas del sistema, un tanque de tormenta tiene la “función de hacer una pre-

depuración al evitar que las primeras aguas, que son las más contaminadas (aunque la lluvia esté

muy limpia, produce una lavado del asfalto), se viertan directamente a sistemas naturales acuáticos

como por ejemplo, ríos.” (Los Tanques de Tormenta, 2009), lo que significa que mediante un

proceso físico se puedan eliminar todos los materiales contaminantes de gran diámetro para poder

así verter el agua al sistema natural. El proceso de pre-depuración es un proceso que se realiza de

manera continua en cada una de las etapas y zonas del tanque de tormenta, sin embargo como

parte de un sistema de drenaje inteligente, es necesario la implementación de una estructura de

retención de basuras a la entrada del tanque de tormenta, esto con el fin de minimizar los costos y

procesos de depuración a lo largo del tanque y que de manera directa disminuya el tiempo de

estancia del agua lluvia en el tanque de tormenta, logrando así un mayor volumen captado por

aliviadero.

Durante los días anteriores a un evento de lluvia se produce un proceso de acumulación de carga

contaminante en superficie debido a diferentes fuentes como lo son restos orgánicos vegetales y

animales, restos sólidos de basuras, residuos procedentes de procesos industriales o residuos

producto de las emisiones vehiculares, los cuales, al producirse el suceso de lluvia, el agua arrastra

todos estos elementos al igual que el material particulado atmosférico de forma que transporta la

carga contaminante hacia la red y así, se dirigen todos estos al tanque de tormenta. Actualmente la

densificación en las ciudades en cuanto a población y viviendas ha desarrollado un incremento

significativo del área superficial impermeable lo cual está relacionado directamente con el aumento

de escorrentía superficial, lo que significa un mayor arrastre de carga contaminante hacia el sistema

de drenaje urbano por lo que se busca una tecnología la cual sea capaz de minimizar los efectos de

las basuras y contaminantes en el sistema de drenaje urbano.

La estructura especializada en la captación de escorrentía superficial se conoce como sumidero, esta

estructura se localiza en vías tanto vehiculares como peatonales de manera transversal o

longitudinal con el objetivo de captar la mayor cantidad de escorrentía; dado el proceso de

transporte de carga contaminante, en la actualidad se buscan sumideros los cuales sean solución no



solo a la captación de escorrentía superficial si no que realicen una retención potencial de los

contaminantes que el flujo de agua transporta a la entrada del flujo de agua a los tanques de

tormenta como parte integrada y fundamental en los sistemas de drenaje urbanos inteligentes.

Es por esto que el presente trabajo plantea la iniciativa de evaluación de una estructura de retención

de basuras a la entrada del tanque de tormenta (sumidero de ventana) para conocer así la eficiencia

de la estructura en cuanto a la captación de flujo de agua (caudal) y retención de basura flotante y

no flotante para diferentes características del flujo y así determinar las características y condiciones

que optimicen dicha eficiencia. De acuerdo a lo anterior, el estudio presente se basará en la

evaluación de tres pruebas independientes, en donde la primera se basa en la evaluación de la

captación del flujo de agua mediante la implementación de una pantalla cuya función es la

regulación del flujo y la generación de flujo supercrítico para la evaluación; en la segunda prueba se

realizará una evaluación de captación de flujo y retención de basuras no flotantes y por último se

ejecutará un análisis de captación de flujo no regulado y retención de basuras no flotantes.

Con el análisis realizado para la estructura de retención de basuras, al final del documento se

presentarán las condiciones evaluadas y se analizará cual condición es óptima hacer uso del

sumidero de ventana.

1.1 Objetivos

Como parte del estudio de diferentes tipos de estructuras de retención de basura a la entrada de

tanques de tormenta realizado por la Universidad de los Andes se planteó como objetivo el

identificar y analizar las condiciones óptimas de funcionamiento de un sumidero de ventana para

lograr una eficiencia de captación de agua y retención de basuras tanto flotante como no flotante

máxima mediante el uso de elementos que simulen las características y propiedades de los

agregados; este propósito se da para estudiar la implementación de estructuras de retención de

basuras en la entrada del tanque de tormenta como alternativa óptima y eficiente al proceso de

depuración tradicional con el fin de optimizar los costos mediante un adecuado uso de los sumideros

de ventana en un sistema de drenaje urbano.

Las condiciones meteorológicas, hidráulicas y constructivas poseen una distribución espacial y

temporal lo cual imposibilita el uso de un sumidero de ventana el cual sea óptimo para las posibles

combinatorias de los efectos anteriormente mencionados, es por esto que se desea evaluar la

eficiencia de retención de basuras y caudal mediante un análisis con condiciones variables que

caractericen las diferentes alternativas constructivas y de operación reales como lo son la pendiente

longitudinal del canal, el caudal de entrada del sumidero, el tipo de basura arrastrada por el flujo de

agua, la velocidad del flujo y el número de Froude. Mediante la implementación de diferentes

condiciones se espera obtener una eficiencia de recolección tanto de basuras como de flujo asociada

con un estado específico que pueda ser relacionado con una condición de una zona local.



2 MARCO TEÓRICO

2.1 Sistema de Drenaje Urbano

El sistema de drenaje urbano se puede definir como el conjunto de acciones, tanto materiales como

de gestión, las cuales están orientadas a reducir el caudal circulante originado por la precipitación y

las descargas residuales debido a la actividad humana tanto doméstica como comercial e industrial.

Dentro de los elementos que componen un sistema de drenaje urbano se encuentran

principalmente la red de alcantarillado, la planta de tratamiento de aguas residuales y el cuerpo

receptor. Los objetivos del sistema de drenaje urbano se encaminan al evitar problemas de salud y

contaminación natural debido al agua que transportan, es por esto que existen dos acciones

encaminadas a evitar los problemas mencionados, estas son acciones de prevención y de corrección.

Dentro de las acciones preventivas se busca ejercer una acción administrativa cuyo fin es minimizar

los daños en el área urbana, mientras que las acciones preventivas son netamente físicas y se usan

en los casos donde las acciones preventivas no son capaces de suplir las necesidades y acarrean un

riesgo a la sociedad aledaña. Dentro de las acciones correctivas más usuales se encuentran las obras

de canalización, obras de conducción, obras conexas como sumideros y obras de conducción como

tuberías. Es así que se plantea una integración de los diferentes elementos del sistema de drenaje

urbano con el fin de que exista un objetivo único el cual es la calidad y cantidad de agua entregada

al cuerpo receptor ya que actualmente el sistema de drenaje urbano se define como tres (3) partes

inconexas (red de alcantarillado, Planta de tratamiento de agua potable –PTAR- y cuerpo receptor),

la integración de sus componentes puede permitir el desarrollo de un sistema de drenaje urbano

integrado y sostenible el cual minimiza los problemas de salud y contaminación ambiental al igual

que hace uso racional de los diferentes recursos a su disposición.

La integración de las tres partes que conforman el sistema de drenaje implica el diseño de cada una

de las partes teniendo en cuenta los efectos sobre las otras, sabiendo así que cada una posee

diferentes funciones:

• Sistema de Alcantarillado: Está conformado por todas las estructuras de las redes y tuberías

y el papel que cumple el alcantarillado es “recolectar las aguas residuales y lluvias y

transportarlas hacia las PTARs, asegurando hermeticidad, minimizando infiltraciones y

exfiltraciones, y logrando algún efecto benéfico de tratamiento preliminar o gestionando la

cantidad y la calidad del agua residual que llega al tramo o interceptor aguas arriba de dichas

plantas” (Ministerio de Desarrollo Económico, 2000).

• Planta de Tratamiento de Agua Residual (PTAR): Su función consta en recibir las aguas

residuales y parte de las aguas lluvias, dado que en el sistema de alcantarillado se presentan

aliviaderos los cuales permiten la descarga de agua residual sin tratar al cuerpo receptor en



caso de que el sistema presente sobrecarga de flujo de agua y trata el agua recolectada

hasta un nivel óptimo.

• Cuerpo Receptor: Es el producto final de la integración del sistema de drenaje urbano,

recibe el efluente de la PTAR y presenta un último tratamiento mediante la autodepuración

del cuerpo natural.

Los Sistemas Urbanos de Drenaje pueden considerar efectos benéficos de manera auto-sostenible

como aquellos elementos participantes en el drenaje de las ciudades que, además de reducir el

caudal circulante por la superficie de la misma, consiguen también disminuir de forma notable la

cantidad de contaminantes que arrastra el agua de escorrentía, dentro de los elementos capaces de

disminuir los contaminantes se encuentran los tanques de tormenta, los sumideros y el control en

tiempo real de la red de alcantarillado.

2.2 Tanque de Tormenta

Los tanques de tormenta son elementos cuya función principal es laminar el caudal mediante la

captación y retención de aguas lluvias logrando así una disminución en la probabilidad de

inundación luego de un evento de lluvia intenso. La acción de un tanque de tormenta se genera en

el momento en el cual la capacidad de la red de alcantarillado o de la planta de tratamiento está

superada, esta sobrecarga genera descargas inmediatas al cuerpo receptor de agua sin tratar

mediante los aliviaderos para evitar el colapso de la red de alcantarillado. Como parte de un sistema

de drenaje urbano sostenible se planteó la idea de una estructura capaz de almacenar el agua de

las descargas recogidas por los recolectores, evitar el vertido directo a los cuerpos de agua y a su

vez suministrar el agua contenida luego del evento intenso de lluvia a la red de alcantarillado para

que ésta pueda ser tratada con normalidad.

Dentro de las ventajas del sistema, un tanque de tormenta tiene la “función de hacer una pre-

depuración al evitar que las primeras aguas, que son las más contaminadas (aunque la lluvia esté

muy limpia, produce una lavado del asfalto), se viertan directamente a sistemas naturales acuáticos

como por ejemplo, ríos.” (Los Tanques de Tormenta, 2009), lo que significa que mediante un

proceso físico se puedan eliminar todos los materiales contaminantes de gran diámetro para poder

así verter el agua al sistema de alcantarillado y realizar su proceso de tránsito y tratamiento previo

a la descarga en los cuerpos de agua naturales.

2.3 Sumidero

Es una estructura diseñada y construida para cumplir con el propósito de captar aguas de

escorrentía superficial y “entregarlas a las coberturas, fuentes superficiales, a las estructuras de

conexión o cámaras de inspección de los alcantarillados combinados o de lluvias” (Empresas

Públicas de Medellín E.P.M., 2013). Contienen rejillas y ocasionalmente un pozo colector para

colectar los materiales pesados arrastrados por el flujo en escorrentía y su ubicación se puede dar



en forma lateral o transversal al sentido de flujo en vías tanto vehiculares como peatonales. Los

sumideros se clasifican de acuerdo a su forma de captación o al diseño de la caja.

2.3.1 Clasificación de Acuerdo a la Forma de Captación

2.3.1.1 Sumidero de Ventana

El sumidero de captación lateral se caracteriza por una abertura de manera de ventana localizada

tanto en los bordillos de los andenes como en la cara vertical del bordillo de la vía; en el sumidero

se pueden adicionar depresiones con el fin de obtener una mayor captación mediante el uso de

sistemas de acumulación de agua en las depresiones tal como se muestra en la Ilustración 1.

El sumidero de ventana se usa debido a que al estar ubicado de manera lateral en la vía, no interfiere

y a su vez no se ve afectado por el tráfico vehicular de la vía, sin embargo, los sólidos y sedimentos

de gran tamaño pueden taponar el sumidero, para esto se recomienda el uso de rejillas en la

ventana. Igualmente, el uso del sumidero se ve delimitado por la pendiente longitudinal de la vía,

ya que para pendientes mayores al 3% la captación se ve afectada.

Ilustración 1. Tipos de sumidero lateral o de ventana. (Instituto Boliviano de Normalización y Calidad, 2007).

2.3.1.2 Sumidero de Rejillas en Cunetas

Como su nombre lo indica, el sumidero consiste en una rejilla ubicada en el fondo de la cuneta, con

esta localización permite una captación mayor en comparación con los sumideros de ventana en

vías con pendientes prominentes. Un sumidero de rejilla consiste en una cámara de entrada del

agua lluvia y de una cubierta con una rejilla la cual posee una localización de las barras que

componen las rejillas principalmente de manera paralela al flujo, esto no es usado en todas las

ocasiones, sin embargo la captación alcanza el óptimo cuando se ubican en dicho sentido ya que de

forma perpendicular al sentido de flujo su uso se basa en el soporte para el tránsito de vehículos

que transitan cerca a la acera como lo son las bicicletas.

La ventaja del sumidero de rejilla radica en su eficiencia de captación en pendientes longitudinales

pronunciadas, es por esto que se deben usar de “preferencia en calles o avenidas de pendientes

pronunciadas (de un 3 % o más)” (Instituto Boliviano de Normalización y Calidad, 2007); el problema

del uso de sumideros de rejilla es que al estar ubicados en el sentido del tráfico, pueden captar

sólidos que al taponar la rejilla reducen el área útil de la misma; estos sumideros pueden tener

depresión para poder tener un área de retención de agua mayor tal como se muestra a

continuación:



Ilustración 2. Tipos de sumidero de rejillas en cuneta. (Instituto Boliviano de Normalización y Calidad, 2007).

2.3.1.3 Sumideros Mixtos

Un sumidero mixto consiste en una combinación de los dos tipos de sumideros explicados con

anterioridad (Sumidero de ventana y Sumidero de Rejilla en Cuneta), este sumidero se usa con el fin

de usar las ventajas de cada uno de los sumideros y potenciarla, se pretende mejorar la eficiencia

del sumidero de ventana mediante la implementación de un sumidero de rejilla y a su vez “disminuir

el área de ocupación de las vías del sumidero de rejillas” (Empresas Públicas de Medellín E.P.M.,

2013), al igual que los sumideros de ventana y de rejilla, puede implementarse una depresión en el

área efectiva con el fin de aumentar la eficiencia de captación, tal como se presenta en la Ilustración

3. Igualmente, el uso de un sumidero mixto “es recomendable en sitios donde en principio es

preferible uno de ventana pero donde su eficiencia de captación es menor al 75 %” (Instituto

Boliviano de Normalización y Calidad, 2007)

Ilustración 3. Sumidero mixto o combinado. (Instituto Boliviano de Normalización y Calidad, 2007).

2.3.1.4 Sumideros Transversales

Un sumidero localizado de manera transversal consiste en una caja ubicada de manera

perpendicular al flujo vehicular cubierta por una rejilla y a su vez colocada a lo ancho de toda la vía.

Dentro de sus cualidades posee “una alta capacidad de captación debido a su gran área, pero sufre

daños con frecuencia por el peso de los vehículos. Los sedimentos reducen su área efectiva”

(Empresas Públicas de Medellín E.P.M., 2013); s continuación se ilustra un sumidero de caja

transversal:



Ilustración 4. Sumidero transversal. (Maderplast, 2014).

2.3.2 Clasificación de Acuerdo con el Diseño de la Caja

2.3.2.1 Sumidero con Válvula de Cheque

Una red de alcantarillado combinado tiene como fin recolectar y transportar agua lluvia como agua

residual, en estos casos existen sumideros que se conectan a la red y en épocas de sequía se

presenta la emanación de olores de las aguas residuales a través de los sumideros. Con el propósito

de evitar que dichos olores salgan a las calles, se coloca una válvula de cheque tal como se presenta

en seguida:

Ilustración 5. Sumidero con válvula de cheque. (Empresas Públicas de Medellín E.P.M., 2013).



2.3.2.2 Sumidero con Sello Hidráulico

Al igual que la implementación de válvulas de cheque para aislar el olor de aguas residuales, los

sellos hidráulicos “se pueden utilizar para evitar que en épocas de sequías los olores desprendidos

por las aguas residuales salgan a las calles a través de los sumideros” (Empresas Públicas de Medellín

E.P.M., 2013)

Ilustración 6. Sumidero con sello hidráulico. (Empresas Públicas de Medellín E.P.M., 2013).

2.3.2.3 Sumidero con Desarenador

En ocasiones donde la vía se encuentre sin pavimentar o que de manera externa como localización

de empresas las cuales produzcan como residuos una carga contaminante de arenas y sólidos

suspendidos importante, es necesario evitar que dichos contaminantes lleguen a la red mediante el

uso de una trampa de arena, esta trampa a través de un proceso de desarenación retiene y evita

Ilustración 7. Sumidero con trampa de arena. (Empresas Públicas de Medellín E.P.M., 2013).



2.4 Canal Abierto

Se define como canal abierto a un “conducto en el cual el agua fluye con una superficie libre” (Chow,

1994), los canales pueden clasificarse según su origen, ya sea por origen artificial o natural; el caso

que define el canal realizado en el montaje del proyecto se basa en un canal artificial, el cual se

caracteriza por ser un diseño de un conducto largo construido en el suelo, con pendiente suave y

que puede ser revestido o no con piedras, cemento, madera, concreto o materiales bituminosos.

En el caso de construcciones de canales, es posible realizar un diseño de un canal con una sección

transversal y pendiente de fondo constantes a lo largo del tramo, estos diseños son canales

prismáticos los cuales generalmente se diseñan con secciones transversales geométricas específicas

como lo es el canal trapezoidal. El canal trapezoidal es la forma geométrica más usada y se puede

desprender el caso de una sección rectangular y triangular, ya que son respectivamente dos

trapecios con la base menor igual a la base mayor y la base menor igual a cero (0); en el montaje

realizado para las pruebas de la estructura de retención de basuras se realizó el diseño y

construcción de un canal geométrico de sección rectangular.

2.4.1 Canal Abierto Rectangular

Un canal rectangular se puede entender como un caso particular del canal trapezoidal en dónde la

pendiente del talud tiene la relación 0:1 y el ángulo de inclinación (𝛼) = 90°, tal como se muestra

en laIlustración 8, son canales usados para caudales relativamente pequeños y cuando el material

es un material estable como lo es el concreto, madera, cemento, entre otros. Para el control del

flujo y el conocimiento de los parámetros en el proyecto es necesario conocer los elementos

geométricos que componen un canal abierto con sección rectangular, de manera ilustrativa se

presenta en seguida un canal con sección transversal rectangular en la Ilustración 9:

Ilustración 8. Sección geométrica general de un trapecio. (Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Agrícola de Ciudad Real).

Ilustración 9. Vista de la sección transversal de un canal rectangular. (Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Agrícola de Ciudad Real).



2.4.1.1 Elementos Geométricos de un Canal con Sección Rectangular

Para la descripción de los elementos geométricos, en un canal de sección rectangular se tiene la

siguiente ilustración para la definición de los mismos:

Ilustración 10. Elementos geométricos en un canal de sección rectangular.

2.4.1.1.1 Profundidad de Flujo [y]

La profundidad de flujo se define como la distancia vertical máxima desde un punto en el fondo del

canal hasta la superficie de agua, se define con la convención 𝑦 y se encuentra en dirección

perpendicular al flujo.

2.4.1.1.2 Ancho de la Superficie [T]

El ancho de la superficie es el ancho del canal medido desde la superficie que se encuentra libre del

canal, en el caso del canal rectangular es el ancho de la lámina de agua en el canal, como convención

se defina como 𝑇.

2.4.1.1.3 Área Mojada [A]

El área de la sección transversal la cual se encuentra perpendicular a la dirección de flujo se

denomina área mojada y tiene la forma:

𝐴 = 𝑏 ∙ 𝑦

Ecuación 1. Área mojada para un canal de sección rectangular.

2.4.1.1.4 Perímetro Mojado [P]

Se define como perímetro mojado a la “longitud de la línea de intersección de la superficie de canal

mojada y de un plano transversal perpendicular a la dirección de flujo” (Chow, 1994), se define por

la convención 𝑃 y en un canal rectangular se define de acuerdo a la siguiente ecuación:

𝑃 = 𝑏 + 2 ∙ 𝑦

Ecuación 2. Perímetro mojado para un canal de sección rectangular.



2.4.1.1.5 Radio Hidráulico [R]

La relación entre el área mojada y el perímetro mojado se conoce como el radio hidráulico, esta

relación se denota de acuerdo a la Ecuación 3.

𝑅 =𝐴

𝑃

Ecuación 3. Radio hidráulico para un canal de sección rectangular.

2.5 Energía Específica

La energía específica se define como “la energía por libra de agua en cualquier sección de un canal

medida con respondo al fondo de éste” (Chow, 1994); en el caso de un canal de superficie libre se

tiene un volumen de control en el cual se define la energía específica en 2 puntos de la superficie

libre tal como se muestra a continuación:

Ilustración 11. Energía específica en un canal de flujo libre. (Universidad del Cauca).

Si se define de acuerdo a la Ilustración 11 la energía específica para un canal de superficie libre se

tiene que:

𝐸 = 𝑦 +𝑣2

2 ∙ 𝑔

Donde

𝐸 → 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎 [𝑚]



𝑦 → 𝑃𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 [𝑚]

𝑣 → 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 [𝑚/𝑠]

𝑔 → 𝐴𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 [𝑚/𝑠2]

Como se enuncia en la ecuación anterior, la energía específica es dependiente de la profundidad del

flujo y para el caso específico de un canal rectangular, su variación se presenta en la Ilustración 12.

Ilustración 12. Energía Específica en un canal rectangular. (Estudio de la Energía Específica en Canales Rectangulares).

De acuerdo a la Ilustración 12 se puede identificar que existe un punto de energía específica mínimo

al cual solo tiene una altura crítica (𝑦𝑐), mientras que para una energía específica mayor existen dos

profundidades de flujo relacionables, una altura la cual es menor a la altura crítica (𝑦𝑖 < 𝑦𝑐) y otra

en la cual es mayora a la profundidad crítica (𝑦𝑖 > 𝑦𝑐), las cuales permiten un flujo con condiciones

variables de acuerdo a si se encuentra por encima o debajo de la profundidad crítica (𝑦𝑐).

2.6 Número de Froude

Las características del flujo en canales abiertos está gobernado por los efectos de la viscosidad y

gravedad relativa a las fuerzas de inercia del flujo y es por esto que se presenta una relación de las

fuerzas de inercia con las fuerzas de gravedad, esta relación fue denominada como el número de

Froude de acuerdo al ingeniero el cual la determinó, William Froude. El número de Froude es un

número adimensional el cual se calcula mediante el cociente entre la velocidad media y la celeridad

relativa de la onda dinámica, tal como se muestra a continuación:

𝐹𝑟2 =𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 𝐼𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙𝑒𝑠

𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 𝐺𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠=

𝑣2

𝑐𝑟𝑑=

𝑣2

𝑔 ∙ 𝑙



Donde

𝐹𝑟 → 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝐹𝑟𝑜𝑢𝑑𝑒 [𝐴𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙]

𝑐𝑟𝑑 → 𝐶𝑒𝑙𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑜𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑖𝑛á𝑚𝑖𝑐𝑎

𝑣 → 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 [𝑚/𝑠]

𝑔 → 𝐴𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 [𝑚/𝑠2]

𝑙 → 𝑃𝑎𝑟á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 [𝑚]

Para el caso de un canal rectangular, la ecuación descrita con anterioridad se puede definir como:

𝐹𝑟 =𝑣

√𝑔 ∙ 𝐷=

𝑣 ∙ √𝑇

√𝑔 ∙ 𝐴=

𝑣

√𝑔 ∙ 𝑦

Ecuación 4. Número de Froude para un canal rectangular.

Donde

𝐷 → 𝑃𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑 ℎ𝑖𝑑𝑟á𝑢𝑙𝑖𝑐𝑎 [𝑚]

A partir del número de Froude es posible caracterizar en tres tipos el flujo estudiado, a continuación

se describe la caracterización de cada uno de los tipos de flujo de acuerdo al número de Froude.

2.6.1 Flujo Subcrítico

Es el tipo de flujo en el cual las fuerzas gravitacionales son más importantes que las fuerzas inerciales

lo que indica un número de Froude (𝐹𝑟) menor a uno (1), adicionalmente presenta unas velocidades

y pendientes bajas dado que tienen una profundidad de flujo mayor, es por esto que se encuentra

de acuerdo a la Ilustración 12 por encima de la profundidad crítica (𝑦𝑐) lo que se traduce en que un

aumento en la profundidad de la lámina de agua genera un aumento en la energía específica del

flujo.

2.6.2 Flujo Crítico

La relación entre las fuerzas inerciales y gravitaciones es unitaria y produce un flujo inestable, de

esta forma se convierte en un flujo el cual es intermedio entre el flujo subcrítico y supercrítico y por

ende una alteración mínima en la condición del flujo permite que éste cambie entre los otros dos

tipos de flujo de manera instantánea, este tipo de flujo se asocia a la energía específica mínima y se

determina mediante un número de Froude (𝐹𝑟) igual a uno (1).



2.6.3 Flujo Supercrítico

Es el tipo de flujo en el cual las fuerzas inerciales tienen mayor influencia que las fuerzas

gravitacionales lo que indica un número de Froude (𝐹𝑟) mayor a uno (1), al contrario del flujo

subcrítico posee unas velocidades y pendientes altas con una profundidad de flujo baja, lo que lo

ubica por debajo de la profundidad de flujo crítica (𝑦𝑐) lo que se traduce en que al existir un

aumento de profundidad, se tendrá una disminución de energía específica y viceversa.

De acuerdo a la descripción para cada uno de los tipos de flujo, se puede tener una clasificación de

los 3 tipos de flujo en las diferentes propiedades hidráulicas mostradas en la Tabla 1 a continuación:

Tabla 1. Propiedades hidráulicas del flujo según número de Froude.

Flujo Profundidad del

Flujo Velocidad media

en el flujo Número de

Froude Pendiente

Subcrítico 𝑦𝑖 > 𝑦𝑐 𝑣 < 𝑣𝑐 𝐹𝑟 < 1 𝑆 < 𝑆𝑐 Crítico 𝑦𝑖 = 𝑦𝑐 𝑣 = 𝑣𝑐 𝐹𝑟 = 1 𝑆 = 𝑆𝑐

Supercrítico 𝑦𝑖 < 𝑦𝑐 𝑣 > 𝑣𝑐 𝐹𝑟 > 1 𝑆 > 𝑆𝑐

2.7 Resalto Hidráulico

El resalto hidráulico es un “ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canal abierto a

consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye a elevada velocidad y pasa a

una zona de baja velocidad” (Universidad del Cauca), es decir para a un flujo supercrítico de gran

velocidad, bajo la condición del resalto pasa a ser un flujo subcrítico con la correspondiente

elevación de la superficie. El resalto se genera en el momento en el que el momentum aguas arriba

se iguala con el de aguas abajo y tiene la forma tal como se muestra en la siguiente ilustración:

Ilustración 13. Resalto hidráulico debido a una compuerta. (García Rivas, 2008).



2.8 Vertedero

Un vertedero es una estructura hidráulica que presenta un corte de forma regular mediante el cual

fluye el agua generando una elevación del nivel aguas arriba y disminución de la profundidad

hidráulica aguas abajo del flujo interceptado, está diseñado principalmente para “permitir el pase,

libre o controlado, del agua en los escurrimientos superficiales” (Landa, 2012), sin embargo puede

cumplir funciones de seguridad en obras de toma al evacuar el agua en exceso generada por un

evento de máxima crecida, igualmente puede ser utilizado como estructura de control del nivel de

flujo aguas arriba para la captación de la misma en una estructura de toma para el funcionamiento

de la misma o inclusive como estructura de medición de caudales. Las diferentes formas de

escotadura, la altura del umbral, el espesor de la pared, la longitud de la cresta o las contracciones

de un vertedero hacen que su clasificación se dé de acuerdo a los anteriores parámetros. En el caso

del presente estudio se implementará un vertedero de pared delgada de escotadura circular, la

clasificación de pared delgada se da para vertederos los cuales la placa de intercepción del flujo

consiste en una arista agua, mientras que para definir un vertedero como pared gruesa es necesario

que “el contacto entre la pared y la lámina vertiente es más bien toda una superficie” (Landa, 2012).

A continuación se presenta una caracterización gráfica de los vertederos típicos de acuerdo a su

forma y espesor de pared:

Ilustración 14. Vertedero según su forma (Rectangular, Triangular y Trapezoidal). (Universidad de Sonora, 2013).

Ilustración 15. Vertedero según el espesor de su pared (Pared delgada y Pared gruesa) (Universidad de Sonora, 2013).



2.8.1 Vertedero Circular

La implementación de un vertedero de forma circular se emplea con el objetivo de realizar la

respectiva medición del caudal que pasa por la cresta del mismo, para la implementación de un

vertedero como estructura de medición es necesario realizar la calibración del mismo, para esto se

tomó como referencia el estudio previo realizado por la Ingeniera Isabella Castro sobre estructuras

de retención de basuras en la Universidad de los Andes con el fin de obtener valores comparables

con los reportados por ella, así se obtiene que la ecuación de calibración del vertedero se rige por

la siguiente ecuación:

𝑄 =0.2712 ∙ (𝐻 − 𝐻0)1.8061

1000

Ecuación 5. Ecuación de calibración del vertedero circular.

Donde:

𝑄 → 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 [𝑚3/𝑠]

𝐻 → 𝑃𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑠𝑒𝑔ú𝑛 𝑙𝑖𝑚𝑛í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 [𝑐𝑚]

𝐻0 → 𝑃𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑒𝑑𝑒𝑡𝑜 𝑠𝑒𝑔ú𝑛 𝑙𝑖𝑚𝑛í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 [𝑐𝑚]

2.9 Limnímetro

Un limnímetro es un instrumento de registro y medición del nivel del agua con el fin de estimar el

caudal que pasa por el canal mediante una curva de calibración, de acuerdo a la calibración

enunciada para un vertedero circular en la Ecuación 5, es posible determinar el caudal que fluye por

el vertedero circular. Consiste en una escala usualmente en centímetros la cual mediante una mira

determina la altura de la columna de agua con respecto al nivel cero (0), este nivel de acuerdo a la

calibración del vertedero circular consiste en el momento en el cual la altura del agua se encuentra

en el borde inferior del radio circular del vertedero tal como se muestra en la fotografía siguiente

del montaje realizado:



Figura 1. Limnímetro utilizado en el proyecto de investigación.

2.10 Resinas de Polietileno

El polietileno (PE) es un material termoplástico de color transparente a translúcido en primera

instancia blanquecino el cual mediante el uso de colorantes pueden obtenerse una gran variedad

de productos coloreados. El polietileno es un polímero destinado al aislamiento eléctrico al inicio

de su descubrimiento, sin embargo años más adelante ha encontrado muchas aplicaciones en otros

campos, especialmente como película, envases y tuberías.

El uso de las resinas es polietileno en la industria se debe a su poco peso, su flexibilidad, alta

resistencia y propiedades eléctricas sobresalientes, sin embargo en el proyecto de investigación se

hará uso de las resinas de polietileno para simular las basuras evaluadas dado que existe una

clasificación de acuerdo a su densidad, tal como se presenta en seguida.

2.10.1 Resinas de Polietileno de Alta Densidad

Las Resinas de Polietileno de Alta Densidad (HDPE DOW) son usadas en la industria dado que

ofrecen dureza, rigidez y resistencia para aplicaciones de moldeo por soplado, productos extrudidos,

películas y artículos moldeados por inyección, su densidad se encuentra entre 0.94 – 0.97 𝑔/𝑐𝑚3.



2.10.2 Resinas de Polietileno de Baja Densidad

Las resinas de Polietileno de Baja Densidad (LDPE DOW) es un polímero de cadena ramificada, por

lo que su densidad es más baja y son usadas de manera más general puesto que combinan

transparencia, rigidez y densidad, preferidas por los convertidores para reducir el espesor. De

manera gráfica se presenta a continuación la resina de polietileno utilizada en el proyecto de

investigación:

Figura 2. Resina de Polietileno utilizada en el proyecto de investigación.

2.11 Especificaciones del Sumidero

La estructura de retención usada en las diferentes pruebas en el presente informe fue suministrada

por la entidad Mexichem Colombia SAS y su fundación PAVCO y fabricada por WAVIN, la cual

igualmente es parte de Mexichem, el líder mundial en sistemas de tuberías de plástico y las

industrias química y petroquímica en América Latina con oficina central se encuentra en Zwolle,

Holanda. La estructura de retención tiene un catálogo denominado “Save Road Gullies” el cual

posee colectores fabricados en polipropileno y rejillas en hierro fundido, estas características

permiten la acreditación de la estructura de retención mediante la certificación KOMO y la norma

europea NEN-EN 124 (Norma aplicable a tapas de sumideros y alcantarillas para áreas destinadas a

vehículos y peatones). Adicional al tanque y rejilla, poseen una rejilla de tierra adicional que atrapa

de manera óptima la suciedad y un liberador de aire utilizado en los sistemas QuickStream o

corriente rápida.

A continuación se presenta el catálogo para “Save Road Gullies” como también las partes que

compone la estructura de retención hidráulica usada en el presente informe.



2.11.1 Partes y Caracterización del Sumidero

Ilustración 16. Catálogo de drenaje de agua lluvia de calles y carreteras. (WAVIN, 2015).

2.11.1.1 Rejilla

La rejilla se encargada de recolectar el agua lluvia y retener los diferentes tipos de agregados que se

encuentran sobre la cuneta que transporte el agua lluvia al punto de captación del sumidero. La

rejilla utilizada en el sumidero está fabricada en hierro fundido con un peso de 35.8 𝑘𝑔.

Ilustración 17. Rejilla usada en las diferentes pruebas. (WAVIN, 2015).



2.11.1.2 Sumidero

El sumidero tal como se mencionó con anterioridad, se encuentra hecho de polipropileno y a pesar

de tener diferentes tamaños volumétricos, el tanque usado en el estudio fue el de un peso de 11 𝑘𝑔

y tiene una capacidad de 45 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠.

Ilustración 18. Sumidero utilizado en las diferentes pruebas. (WAVIN, 2015).

2.11.1.3 Rejilla Interna

La rejilla interna en el sumidero tiene como función “dejar pasar el agua lluvia hacia el interior del

sistema de drenaje y evita que las suciedades entren hacia el sistema. La rejilla interna tiene unos

orificios laterales para que fluya el agua” (Castro Montero, 2015), de acuerdo a lo anterior se

presenta gráficamente la rejilla interna del sumidero:

Ilustración 19. Rejilla Interna del sumidero (WAVIN, 2015).



A continuación se presenta un dimensionamiento de la estructura de retención utilizada en las

diferentes pruebas:

Ilustración 20. Dimensiones de la rejilla utilizada en el proyecto. (WAVIN, 2015).

2.11.2 Ventajas y Características de los Sumideros de Referencia WAVIN

2.11.2.1 Diseño

Dentro de las ventajas que se tienen al hacer uso de un sumidero de referencia WAVIN en la parte

de diseño son:

• Sistema integrado robusto.

• Trampa de arena grande con capacidad de 45 litros.

• Altura total baja.

• Parte inferior del sumidero con sección transversal cuadrada.

• Rejilla pequeña con trampa de arena de 25 litros.

• Rejilla de suciedad extraíble.

• Válvula de aire de cierre con fácil acceso con el fin de permitir la descarga de la tubería de

drenaje.

• Rejillas se encuentran equipadas con cerradura permitiendo así su estandarización.



2.11.2.2 Materiales

Dentro de las ventajas que se tienen al hacer uso de un sumidero de referencia WAVIN en términos

de materiales son:

• El sumidero se encuentra diseñado en Polipropileno, un material termoplástico flexible con

alta resistencia a la fatiga que a su vez no altera su resistencia mecánica en cambios de

temperaturas altos.

• El uso de los materiales descritos permite tener un peso menor en cuanto a la rejilla y el

sumidero.

• La rejilla está hecha completamente en hierro fundido.

• La resistencia de los materiales hace de la estructura una capaz de soportar una carga B de

tráfico, es decir hasta 12.5 toneladas.

2.11.2.3 Rango de Producción

Dentro de las ventajas que se tienen al hacer uso de un sumidero de referencia WAVIN en cuanto al

rango de producción son:

• Se tiene un listado de 8 diferentes rejillas.

• Existen diferentes rejillas comercialmente las cuales pueden ser ajustadas en los diferentes

sumideros sin ningún problema de dependencia.

• Se encuentran bastidores de 30, 50 y 70 mm.

• La estandarización de las rejillas permite con una sola llave abrir las cerraduras de cada una

de ellas.

2.11.2.4 Vida Útil

El hacer uso de un sumidero de referencia WAVIN en el diseño de un sistema de drenaje urbano

permite tener ventajas en cuanto a la vida útil del elemento, esto se debe a las razones mostradas

a continuación:

• Alta resistencia a efectos químicos en el plástico.

• Las cubiertas poseen un recubrimiento duradero.

• Dada su geometría y características, se tiene un sumidero con facilidad de lavado, limpieza

y accesibilidad para la respectiva inspección.

2.11.2.5 Colector de Suciedad

Dada la larga distancia entre el colector de suciedad y la rejilla, este tiene como ventaja el

atrapamiento del material flotante y material sedimentado.



2.11.2.6 Instalación

La implementación de un sumidero de referencia WAVIN permite tener una instalación fácil y

eficiente con respecto a los demás sumideros en el mercado debido a:

• Fácil posicionamiento en el terreno debido a su lado inferior con sección transversal regular

cuadrada.

Ilustración 21. Ubicación del sumidero en el terreno. (WAVIN, 2015).

• La conexión con la tubería se puede realizar mediante diferentes uniones, lo que permite

una conexión a diferentes ángulos.

Ilustración 22. Conexión entre tubería y sumidero. (WAVIN, 2015).

• Dada su geometría, el relleno del material lateral permite una fácil compactación.

Ilustración 23. Compactación del terreno lateral del sumidero. (WAVIN, 2015).



• Como sugerencia, la empresa WAVIN da como solución para suelos en los que se tenga una

existencia de cables y tuberías un sumidero pequeño con trampa de arena de 25 litros tal

que tenga un volumen de excavación mínimo.

Ilustración 24. Sugerencia de uso de sumidero en suelo con tuberías y cables existentes. (WAVIN, 2015).

2.11.2.7 Mantenimiento

Un sumidero de referencia WAVIN da como soluciones integrales al mantenimiento y manejo del

mismo tres (3) alternativas las cuales se ilustran a continuación:

• Limpieza del sumidero.

Ilustración 25. Limpieza del sumidero. (WAVIN, 2015).

• Lavado de las conexiones del sumidero.

Ilustración 26. Lavado de la conexión entre el sumidero y la tubería. (WAVIN, 2015).



• Inspección mediante video de la conexión entre el sumidero y la tubería.

Ilustración 27. Video-inspección del sumidero y la tubería. (WAVIN, 2015).



3 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL MODELO UTILIZADO PARA LAS

PRUEBAS CON LA ESTRUCTURA DE RETENCIÓN DE BASURAS

El presente estudio se realizó con la ayuda del montaje realizado por la Ingeniera Isabella Castro

Montero en el cual evaluó un sumidero de rejilla en cuneta, a continuación se describe brevemente

el montaje presentado para el estudio de la Ingeniera Isabella Castro y posteriormente los cambios

efectuados para la evaluación de un sumidero de ventana con el cual se efectuaron los análisis del

informe actual.

3.1 Montaje Previo

El montaje realizado para el estudio de la Ingeniera Isabella Castro en la Universidad de los Andes

para un sumidero de rejilla en cuneta en el año 2015 se basó en un canal rectangular realizado a

través de láminas de triplex con soporte estructural mediante el uso de pino como casetón separado

cada 50cm entre sistema tal como se mostrará más adelante, estas láminas se adecuaron para la

formación del canal mediante una conexión a través de tornillos con una separación adecuada con

el fin de que el peso del agua y de los diferentes elementos en el estudio no afectaran el canal, a

continuación se presenta brevemente la construcción del canal:

Ilustración 28. Corte de las láminas de Triplex. (Castro

Montero, 2015).

Ilustración 29. Corte secciones de pino. (Castro

Montero, 2015).



Ilustración 30. Ensamble de las respectivas láminas del canal.

(Castro Montero, 2015).

Ilustración 31. Vista del ensamble del montaje.


Posterior a la construcción del canal rectangular, se adicionó en su interior el sumidero de rejilla

mediante la apertura de un orificio correspondiente a sus dimensiones, igualmente se realizó la

conexión de dos (2) secciones del canal dadas sus longitudes mediante una lámina de acrílico y con

esto culminado se montó la estructura en los respectivos soportes con el fin de realizar una conexión

entre la tubería de entrada del flujo y el canal rectangular, a continuación se representa la

metodología realizada para la construcción del montaje descrita previamente:



Ilustración 32. Adición de rejilla en el canal

rectangular. (Castro Montero, 2015).

Ilustración 33. Canal rectangular pintado vista inferior. (Castro

Montero, 2015).



Ilustración 34. Canal rectangular pintado vista

superior. (Castro Montero, 2015).

Ilustración 35. Conexión entre secciones del canal

rectangular mediante acrílico. (Castro Montero, 2015).

Ilustración 36. Soportes del canal rectangular. (Castro Montero, 2015).



Con el canal ya instalado, se procedió a instalar el tanque o sumidero mediante el uso de un gato

hidráulico para poder cambiar la altura de ubicación del mismo dado los cambios de pendiente que

se realizaron en las pruebas ejecutadas por la Ingeniera Isabella Castro. Igualmente se procedió a la

instalación del limnímetro, de la compuerta y de los sensores de nivel del flujo aguas arriba y aguas

debajo de la compuerta, tal como se ilustra en seguida:

Ilustración 37. Ubicación del tanque mediante gato hidráulico.


Ilustración 38. Gato hidráulico usado como soporte del

sumidero. (Castro Montero, 2015).

Ilustración 39. Ubicación de la compuerta en el canal rectangular. (Castro Montero, 2015).



Ilustración 40. Ubicación de los sensores de nivel aguas arriba y debajo de la compuerta. (Castro Montero, 2015).

Ilustración 41. Ubicación del limnímetro con calibración en el vertedero circular. (Castro Montero, 2015)

A partir de la instalación de los diferentes elementos, se realizó la investigación en la Universidad

de los Andes sobre la estructura de retención de basuras mediante una rejilla en cuneta, las

dimensiones de diferentes elementos tales como los soportes, localización de sensores o



compuertas o la ubicación de la rejilla no se encuentran enunciadas dado que con el modelo

previamente descrito se procedió como base elemental del modelo para el desarrollo de la

evaluación de una rejilla en ventana como objetivo principal del presente estudio y por ende se

realizaron las modificaciones pertinentes tales que alteraron de manera sustancial las ubicaciones

y dimensiones de diferentes elementos que se describirán con detalle más adelante.

3.2 Modificación del Montaje

En base en el modelo realizado para la investigación de Isabella Castro, con el fin de usar el montaje

para el estudio de una rejilla en ventana se requirió de ciertas modificaciones para el

aprovechamiento del canal para la investigación presente. Dentro de los principales factores se

encontró la ubicación de la rejilla de ventana como su respectivo sumidero, para esto fue necesario

ubicar el canal tal que la rejilla y el tanque se ubicaran al costado del canal tal como se requiere en

un sumidero de ventana. Al desear ubicar el canal tal que se cumpliera la restricción de espacio para

la rejilla y el tanque, el tubo de entrada con el cual el flujo de agua ingresa al canal se encontraba

descentrado del eje del canal, es por esto que se realizó un cajón para ubicar el flujo en la respectiva

localización del canal, de la misma forma con el fin de normalizar el flujo se realizó una barrera

hidráulica al interior del canal como también una pantalla a la salida del cajón tal como se muestra

a continuación:

Figura 3. Corte de láminas de triplex para diseño del

cajón.

Figura 4. Secciones típicas del cajón previo al armado.



Figura 5. Cajón armado.

Figura 6. Cajón con implementación de capas de

pintura.

Figura 7. Estructuras hidráulicas para normalización de

flujo.

Figura 8. Vista lateral del cajón con los disipadores de

energía.

Figura 9. Realización de la pantalla para normalizar el flujo de entrada.



Una vez realizado el cajón se procedió al corte del canal dado que su longitud total no permitía su

localización dentro del espacio de estudio, igualmente se realizó el corte en el cual se ubicaría la

rejilla tipo ventana al costado del canal. Simultáneamente se realizó el diseño de un eje con el cual

al cambiar las pendientes en el canal, el cajón sería dependiente del movimiento para permitir un

movimiento del sistema integrado, el eje se realizó mediante el uso de chumaceras las cuales

conectadas mediante una varilla se ensamblaría al cajón tal que el cajón realizara un movimiento

rotatorio acorde a los cambios de pendiente estimados en el cajón rectangular. Al momento de

instalar el cajón se localizó en la correspondiente ubicación el canal rectangular y con esto se unió

el cajón mediante las implementaciones de platinas para generar rigidez e uniformidad en el

sistema, el proceso descrito se muestra gráficamente a continuación:

Figura 10. Eje diseñado para el movimiento rotatorio del cajón.

Figura 11. Implementación de platinas para unión entre cajón y canal rectangular.



Figura 12. Corte longitudinal del canal rectangular y de la sección de la rejilla.

Figura 13. Vista del canal posterior a la ubicación del cajón y el corte de la rejilla y canal.



Figura 14. Ubicación de la rejilla tipo ventana en el

canal.

Figura 15. Ubicación del tanque en el canal mediante

gato hidráulico.

Figura 16. Vista transversal del canal posterior a unión del sumidero.



Figura 17. Ubicación de Sensores de nivel.

3.3 Partes del Modelo

Luego de la modificación del montaje realizado por la ingeniera Isabella Castro, se culminó el diseño

y construcción del modelo para un sumidero de ventana y el resultado final se muestra a

continuación:

Figura 18. Montaje de Diseño Culminado.



El montaje no solo consta del canal y el cajón ya que existen implementos que facilitan las diferentes

mediciones necesarias para la reproducción de los diferentes ensayos, es por esto que a

continuación se presentan los diferentes instrumentos con sus respectivas funciones en el modelo:

3.3.1 Pantalla

La implementación de la pantalla tiene como objetivo el cambio de profundidad de flujo de forma

diferencial entre aguas arriba y aguas debajo de la misma de forma que se obtenga un flujo

supercrítico aguas debajo de la pantalla, para las diferentes pruebas realizadas la altura se mide en

ambos lados de la pantalla en sentido perpendicular al flujo, para el caso de la profundidad aguas

abajo se mide la altura de la lámina de agua al interior del cajón y se nombra mediante la variable

𝑦1.

Figura 19. Pantalla para control de flujo.

3.3.2 Sensor de Nivel 1

El sensor de nivel 1 es el sensor ubicado aguas arriba de la pantalla, mediante la implementación

del mismo se calcula la profundidad de flujo aguas debajo de la pantalla, es importante que para la

determinación de la profundidad se tenga un muestreo de datos de por lo menos treinta (30).



Figura 20. Sensor de nivel 1.

3.3.3 Sensor de Nivel 2

El sensor de nivel 2 es el segundo sensor ubicado aguas abajo de la pantalla, mediante la

implementación del mismo se calcula la profundidad de flujo luego de que el agua pase la pantalla,

es importante que para la determinación de la profundidad se tenga un muestreo de datos de por

lo menos treinta (30) segundos; la profundidad de flujo para aguas abajo de la pantalla se define

mediante la variable 𝑦2 [𝑚] y será el promedio de la profundidad medida en ambos sensores.

Figura 21. Sensor de nivel 2.



3.3.4 Limnímetro

Dada la ecuación de calibración del vertedero circular (Ecuación 5), el uso del limnímetro permite

medir el nivel 0 del vertedero y así calcular la profundidad de flujo en el momento de un caudal

específico para poder determinar el caudal que ingresa por la rejilla hacia el sumidero.

Figura 22. Limnímetro.

3.3.5 Rejilla

La ubicación de la rejilla aguas debajo de la pantalla permite captar un flujo de agua el cual a su vez

en las diferentes pruebas permitirá determinar la eficiencia de retención de agregados y captación

de agua.



Figura 23. Rejilla del Sumidero.

3.3.6 Vertedero Circular

Mediante la implementación del vertedero circular se puede determinar el caudal que ingresa a la

rejilla con la ayuda del limnímetro ya mencionado.

Figura 24. Vertedero Circular.

3.3.7 Malla Conexión Sedimentador entre Tanque y Tubo

Para las diferentes pruebas con agregados es necesario conocer el material que retiene el tanque

del sumidero, es por esto que se instaló una malla en el punto de conexión entre el tanque y el tubo.



Figura 25. Malla de conexión entre tanque y tubo.

3.3.8 Rejilla Exterior y Malla Recolectora

Igual que en la conexión entre el tubo y el tanque del sumidero, para determinar el material que no

es retenido por la rejilla, se realizó una malla recolectora la cual tiene como objetivo recolectar

todos los agregados que no entraron al sumidero tal como se muestra en seguida:

Figura 26. Malla recolectora.



En caso de que hubiese un escape de agregado de la malla se instaló en la rejilla exterior una malla

similar a la mostrada en la malla de conexión con el fin de retener los agregados y posteriormente

con ambos instrumentos se pude determinar su peso y enseguida determinar la eficiencia del

sumidero.

Figura 27. Rejilla exterior sin malla de retención.

Figura 28. Rejilla exterior con malla de retención.



4 METODOLOGÍA

4.1 Pruebas de Captación de Agua

Las pruebas con la implementación de la pantalla para normalizar el flujo tienen como objetivo

principal la evaluación de la eficiencia de captación de agua en la rejilla, para esto se planteó la

evaluación de cinco (5) pendientes {5%, 4%, 3%, 2%, 1%} en las cuales se tendría un caudal

variable para su respectivo análisis. Dentro de cada una de las pendientes se tuvo en cuenta el

desarrollo de un vector de caudales abarcados entre un caudal pico y un caudal mínimo, a

continuación se describe brevemente la concepción de cada uno de los caudales descritos:

• Caudal Pico: Es el caudal con el cual a una pendiente determinada, aguas arriba del cajón se

tiene una profundidad de flujo máxima tal que se encuentre a punto de presurizarse.

• Caudal Mínimo: El caudal mínimo se define como el caudal el cual genera una profundidad

de flujo aguas arriba de la pantalla inmediatamente superior a la altura de la misma aguas

debajo de la pantalla, esto con el fin de permitir el uso de la pantalla como estructura de

control hidráulico del canal.

De acuerdo a lo descrito con anterioridad, a continuación se muestra un diagrama de flujo el cual

permite visualizar el proceso mostrado:



Figura 29. Diagrama de flujo para realización de pruebas de captación de agua (Parte 1).




4.2 Pruebas de Retención de Basura Flotante

Las pruebas con basura flotante permiten conocer la eficiencia de retención del sumidero en cuanto

a este tipo de basura, igualmente para la prueba se contempló al igual que las pruebas de captación

de agua, la evaluación de cinco (5) pendientes con la variación de cinco (5) caudales en los cuales se

agregó el material usado como basura flotante. El material usado para la simulación de basura

flotante fue el polietileno de baja densidad dada su facilidad de manipulación como también el

hecho de que se encontraba una mezcla de diferentes PE tal que se tuviese una densidad variable y

por ende simule adecuadamente la basura flotante, ya que esta posee una distribución de

densidades al igual que el material de la simulación; para este caso se usó una mezcla de PE de 80 y

PE de 100 de forma equivalente.

El procedimiento realizado para la evaluación de retención de agregados flotantes consistió en la

adición de una masa determinada del polietileno (2.0 𝑘𝑔), esta entrada de masa debió ser

registrada mediante el uso de un cronómetro y un sistema que simulara una tolva tal que el flujo de

carga de entrada fuese constante en las diferentes pruebas para poder tener una similitud en los

datos evaluados. El proceso descrito con anterioridad se muestra de manera gráfica mediante el

siguiente diagrama de flujo:



Figura 32. Diagrama de flujo para realización de pruebas de retención de basura flotante (Parte 1).



Figura 33. Diagrama de flujo para realización de pruebas de retención de basura flotante (Parte 2).

4.3 Pruebas de Retención de Basura No Flotante

Las pruebas con basura no flotante permiten conocer la eficiencia de retención del sumidero en

cuanto a este tipo de basura, igualmente para la prueba se contempló al igual que las pruebas

de captación de agua la evaluación de cinco (5) pendientes con la variación de cuatro (4)

caudales en los cuales se agregó el material usado como basura flotante. El material usado para



la simulación de basura no flotante fue un material no abrasivo tipo gravilla con el fin de poder

fácilmente determinar la masa retenida en el tanque del sumidero.

El procedimiento realizado para la evaluación de retención de agregados flotantes consistió en

la adición de una masa determinada del material escogido como simulación de la basura no

flotante (3 𝑘𝑔), esta entrada de masa debió ser registrada mediante el uso de un cronómetro

y un sistema que simulara una tolva tal que el flujo de carga de entrada fuese constante en las

diferentes pruebas para poder tener una similitud en los datos evaluados. El proceso descrito

con anterioridad se muestra de manera gráfica mediante el siguiente diagrama de flujo:



Figura 34. Diagrama de flujo para realización de pruebas de retención de basura no flotante (Parte 1).



Figura 35. Diagrama de flujo para realización de pruebas de retención de basura no flotante (Parte 2).



5 RESULTADOS

5.1 Ajuste de Pendiente

Para ajustar el canal de forma que se obtuviese cada una de las pendientes requeridas para su

respectiva evaluación, se determinó la altura a la cual los soportes del canal debían estar para que

se cumpliera cada una de las pendientes, el procedimiento para determinar cada una de las

pendientes requeridas fue con base a la ecuación enunciada a continuación:

𝑠 = ∆ℎ

∆𝑥∙ 100

Donde

𝑠 → 𝑃𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝐶𝑎𝑛𝑎𝑙 [%]

∆ℎ → 𝐶𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 [𝑚]

∆𝑥 → 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟é𝑠 [𝑚]

Al realizar cada uno de los ajustes en los diferentes soportes se obtuvo una pendiente levemente

diferente a la requerida, es por esto que como procedimiento último se revisó cada una de las

pendientes con una relación de triángulos en donde la hipotenusa del triángulo fuese la longitud

adicionada del canal y el cajón y a su vez que la longitud del cateto opuesto fuese la altura de

elevación del cajón por encima de la elevación final del canal en su desembocadura; con este

procedimiento se obtuvo las siguientes pendientes, las cuales son las reales y con las cuales se

trabajó cada una de las pruebas:

Tabla 2. Pendiente obtenida mediante el ajuste del canal.

Pendiente Ideal Pendiente Obtenida

5% 5.02%

4% 4.03%

3% 3.01%

2% 2.03%

1% 1.01%

En el desarrollo del proyecto se hará uso de la pendiente ideal a manera de simplificación, sin

embargo es importante tener en cuenta que la pendiente con la que se trabajó es la presentada en

la Tabla 2 en la columna de Pendiente Obtenida.



5.2 Prueba de Captación de Agua

Una vez ajustada cada una de las respectivas pendientes, se procedió a realizar la metodología

descrita para pruebas de captación de agua en donde a manera descriptiva, era necesario

determinar 20 caudales por pendiente de acuerdo al caudal máximo y mínimo, en cada uno de estos

caudales se midieron los parámetros descritos enseguida.

5.2.1 Parámetros de Interés

5.2.1.1 Caudal de Entrada

El caudal de entrada se determina mediante la variable [𝑄𝑒] la cual se encuentra en 𝑚3/𝑠 es el

parámetro que indica los veinte (20) caudales tomados por cada una de las pendientes asegurando

que los valores se encuentren entre el caudal mínimo y máximo previamente explicados, el caudal

de entrada se mide mediante un caudalímetro a la entrada del canal.

Figura 36. Caudalímetro utilizado en el modelo para la determinación del caudal de entrada.

5.2.1.2 Profundidad de Flujo 1

La profundidad de flujo 1 consiste en el nivel medido al interior del cajón de normalización del flujo

de manera perpendicular a la base del mismo, la profundidad se denomina mediante la variable

[𝑦1].


La profundidad de flujo 2 consiste en el nivel medido en el canal a través de los sensores 1 y 2, el

valor determinado para la profundidad de flujo se calcula mediante el promedio de los valores

arrojados por los dos (2) sensores en simultáneo para cada medición y su resultado se expresa en

metros a través de la variable [𝑦2].



5.2.1.4 Altura de Limnímetro

El caudal que ingresa al sumidero puede determinarse mediante la ecuación de calibración del

vertedero circular ya que este flujo es únicamente debido al agua captada por la rejilla, para la

determinación de la altura se utiliza un limnímetro el cual se instala de tal forma que el cero (0) se

encuentre en el nivel inicial del vertedero, es decir, en el nivel el cual el agua no rebosa por el mismo.

La profundidad del vertedero se determina mediante la variable [𝐻𝑙] y se presenta en centímetros

dado que es la unidad en la que se hace uso de la variable en la ecuación de calibración del vertedero

circular.

5.2.2 Tablas de Resultados Obtenidos

De acuerdo a lo descrito anteriormente, a continuación se presentan los datos obtenidos para la

prueba de captación de agua discretizados según pendiente:

Tabla 3. Datos de la prueba de captación de agua para pendiente del 5%.

𝑸𝒆 𝑯𝒍 𝒚𝟏 𝒚𝟐

[𝒎𝟑/𝒔] [𝒄𝒎] [𝒎] [𝒎]

0.00069 0.60 0.034 0.0027

0.00141 0.80 0.047 0.0039

0.00206 0.90 0.068 0.0051

0.00309 1.00 0.087 0.0064

0.00376 1.05 0.095 0.0075

0.00444 1.10 0.114 0.0083

0.00516 1.15 0.122 0.0092

0.00585 1.20 0.128 0.0101

0.00638 1.25 0.132 0.0110

0.00660 1.25 0.139 0.0114

0.00687 1.30 0.147 0.0121

0.00761 1.35 0.165 0.0132

0.00811 1.40 0.176 0.0141

0.00849 1.45 0.181 0.0142

0.00888 1.50 0.189 0.0143

0.00966 1.55 0.207 0.0146

0.01027 1.60 0.234 0.0149

0.01084 1.65 0.255 0.0153

0.01153 1.65 0.275 0.0156

0.01193 1.65 0.291 0.0157





[𝒎𝟑/𝒔] [𝒄𝒎] [𝒎] [𝒎] 0.00082 0.75 0.030 0.0027

0.00132 0.90 0.035 0.0038

0.00197 1.00 0.044 0.0050

0.00291 1.10 0.065 0.0062

0.00366 1.15 0.082 0.0078

0.00449 1.20 0.101 0.0089

0.00502 1.25 0.112 0.0098

0.00564 1.30 0.124 0.0107

0.00623 1.35 0.146 0.0115

0.00694 1.40 0.162 0.0124

0.00721 1.45 0.169 0.0128

0.00757 1.50 0.174 0.0133

0.00801 1.55 0.187 0.0140

0.00849 1.55 0.196 0.0143

0.00924 1.60 0.214 0.0149

0.00982 1.60 0.233 0.0151

0.01053 1.60 0.249 0.0152

0.01082 1.60 0.260 0.0156

0.01115 1.55 0.279 0.0158

0.01148 1.55 0.286 0.0161



[𝒎𝟑/𝒔] [𝒄𝒎] [𝒎] [𝒎] 0.00107 0.95 0.035 0.0032

0.00181 1.10 0.038 0.0045

0.00238 1.15 0.050 0.0059

0.00277 1.15 0.052 0.0064

0.00344 1.20 0.069 0.0077

0.00389 1.25 0.084 0.0083

0.00439 1.30 0.095 0.0090

0.00499 1.30 0.108 0.0097

0.00532 1.35 0.114 0.0103

0.00591 1.35 0.132 0.0108

0.00624 1.40 0.141 0.0119




[𝒎𝟑/𝒔] [𝒄𝒎] [𝒎] [𝒎] 0.00672 1.45 0.146 0.0124

0.00728 1.45 0.163 0.0132

0.00774 1.50 0.165 0.0136

0.00806 1.50 0.174 0.0141

0.00849 1.50 0.181 0.0145

0.00939 1.50 0.203 0.0155

0.00994 1.50 0.219 0.0165

0.01049 1.55 0.235 0.0170

0.01095 1.60 0.244 0.0160



[𝒎𝟑/𝒔] [𝒄𝒎] [𝒎] [𝒎]

0.00145 1.25 0.036 0.0045

0.00201 1.25 0.041 0.0059

0.00257 1.30 0.050 0.0067

0.00292 1.35 0.058 0.0071

0.00343 1.35 0.076 0.0082

0.00399 1.35 0.083 0.0091

0.00458 1.35 0.093 0.0099

0.00486 1.35 0.113 0.0106

0.00531 1.40 0.118 0.0109

0.00577 1.40 0.130 0.0116

0.00621 1.40 0.141 0.0121

0.00667 1.40 0.146 0.0128

0.00716 1.40 0.157 0.0133

0.00771 1.45 0.172 0.0138

0.00807 1.45 0.177 0.0145

0.00846 1.45 0.180 0.0153

0.00895 1.45 0.194 0.0160

0.00943 1.50 0.204 0.0169

0.00991 1.50 0.233 0.0173

0.01046 1.50 0.249 0.0169





[𝒎𝟑/𝒔] [𝒄𝒎] [𝒎] [𝒎] 0.00154 1.50 0.034 0.0044

0.00208 1.55 0.042 0.0055

0.00248 1.60 0.056 0.0064

0.00301 1.65 0.072 0.0072

0.00359 1.70 0.085 0.0086

0.00413 1.75 0.092 0.0092

0.00447 1.75 0.104 0.0098

0.00503 1.70 0.124 0.0108

0.00558 1.65 0.132 0.0116

0.00601 1.60 0.139 0.0124

0.00638 1.55 0.156 0.0131

0.00677 1.55 0.160 0.0135

0.00754 1.55 0.174 0.0141

0.00798 1.55 0.186 0.0149

0.00851 1.55 0.198 0.0160

0.00910 1.55 0.214 0.0164

0.00957 1.55 0.224 0.0165

0.01003 1.55 0.229 0.0176

0.01040 1.55 0.250 0.0175

0.01089 1.55 0.273 0.0177

5.3 Prueba de Retención de Basura Flotante

Al igual que para las pruebas de captación de agua, para evaluar la retención de basura flotante era

necesario el ajuste previo de cada una de las pendientes a evaluar, posterior a su ajuste se procedió

a seguir la metodología expuesta en el diagrama de flujo para las pruebas de retención de basura

flotante, en donde se solicitaba la medición de diferentes parámetros los cuales serán descritos a

profundidad a continuación.




parámetro que indica los cinco (5) caudales tomados por cada una de las pendientes asegurando





5.3.1.2 Peso de Entrada

Para evaluar la eficiencia de retención de basuras flotantes se utilizaron las resinas de polietileno de

alta y baja densidad en una mezcla homogénea de pesos, para el peso de entrada se determinó la

variable 𝑊𝑖𝑛 la cual se encuentra en kilogramos [𝑘𝑔]. Para las pruebas de retención de material

flotante se mantuvo un peso constante de entrada de 2000 gramos para poder obtener resultados

apropiados al comportamiento del sumidero con la restricción volumétrica dado que para realizar

el respectivo secado del material se tenían cazuelas de un volumen neto para aproximadamente

2000 gramos de resinas de polietileno. Es importante tener en cuenta el peso se debe determinar

luego de ser secados en un horno a 130°C por mínimo 7 horas.

Figura 37. Peso de entrada de la basura flotante.

5.3.1.3 Tiempo de Adición de Material

El tiempo en el cual fue añadido el material flotante al canal se expresa mediante la variable [𝑇],

este tiempo encuentra medido en segundos y se hizo uso de un embudo de forma que el tiempo

de vertimiento en todas las pruebas fuera aproximadamente el mismo para tener resultados

comparables y pruebas replicables a lo largo de todo el proyecto.



5.3.1.4 Peso Retenido en Malla Recolectora y Rejilla Exterior

Existe un porcentaje del material adicionado como peso de entrada el cual no es retenido por el

sumidero, este peso se denomina mediante la variable [𝑊𝑜𝑢𝑡] la cual se encuentra en kilogramos

[𝑘𝑔]. Para la recolección del peso que no es retenido por la rejilla se realizó el diseño y construcción

de una malla recolectora mediante la cual se aseguraba en primera instancia que no existiese

pérdidas de masa en la recolección de la misma, a continuación se presenta gráficamente la malla

recolectora. Es importante tener en cuenta el peso se debe determinar luego de ser secados en un

horno a 130°C por mínimo 7 horas.

Figura 38. Malla recolectora en uso para prueba de basura flotante.

5.3.1.5 Peso Retenido en Malla de Conexión entre Tanque y Tubería

Luego de adicionar el peso de entrada, parte de este es retenido por la rejilla y fracción de éste no

se ubica en la trampa de arena, este peso se denomina mediante la variable [𝑊𝑇] la cual se

encuentra en kilogramos [𝑘𝑔]. Para la recolección del peso que es retenido por la rejilla se instaló

la malla de conexión entre el tanque y el sitio de unión con la tubería tal como se mostró en la Figura

25 y una vez corrida la prueba se realizó la colecta del material al interior de la malla la cual fue

llevada al horno para su respectivo secado a 130°C por mínimo 7 horas.



Figura 39. Malla con agregado flotante recolectado.




[𝑦1].















circular.


Con los datos descritos previamente, se realizó la evaluación de cada una de las pendientes en

donde se obtuvo los siguientes resultados:

Tabla 8. Datos de la prueba de retención de basura flotante para pendiente del 5%.

𝑾𝒊𝒏 𝑸𝒆 𝑻𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐 𝑯𝒍 𝑾𝒐𝒖𝒕 𝒚𝟏 𝒚𝟐

[𝒌𝒈] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒔] [𝒎] [𝒌𝒈] [𝒎] [𝒎] 2.00 0.00175 93 0.85 1.7140 0.052 0.0040

2.00 0.00311 95 1.05 1.7585 0.091 0.0063

2.00 0.00472 90 1.15 1.8180 0.117 0.0082

2.00 0.00604 89 1.20 1.8285 0.129 0.0104

2.00 0.00775 89 1.30 1.9100 0.167 0.0131



[𝒌𝒈] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒔] [𝒎] [𝒌𝒈] [𝒎] [𝒎]

2.00 0.00176 86 0.95 1.4025 0.044 0.0048

2.00 0.00372 88 1.10 1.5720 0.081 0.0077

2.00 0.00603 94 1.30 1.7945 0.149 0.0109

2.00 0.00733 92 1.40 1.9090 0.161 0.0128

2.00 0.00871 91 1.50 1.9385 0.190 0.0147



[𝒌𝒈] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒔] [𝒎] [𝒌𝒈] [𝒎] [𝒎]

2.00 0.00171 88 1.10 1.2380 0.037 0.0042

2.00 0.00358 92 1.20 1.4505 0.072 0.0082

2.00 0.00568 91 1.35 1.6760 0.122 0.0111

2.00 0.00765 95 1.45 1.8260 0.169 0.0136

2.00 0.00915 89 1.50 1.9495 0.198 0.0153





[𝒌𝒈] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒔] [𝒎] [𝒌𝒈] [𝒎] [𝒎] 2.00 0.00156 91 1.20 0.8415 0.039 0.0047

2.00 0.00327 92 1.30 1.1255 0.077 0.0084

2.00 0.0051 88 1.40 1.4890 0.121 0.0104

2.00 0.00652 91 1.45 1.6470 0.139 0.0126

2.00 0.00807 95 1.50 1.8620 0.182 0.0146



[𝒌𝒈] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒔] [𝒎] [𝒌𝒈] [𝒎] [𝒎] 2.00 0.00171 93 1.50 0.5925 0.036 0.0048

2.00 0.00336 94 1.55 0.9770 0.078 0.0079

2.00 0.00513 88 1.55 1.1295 0.127 0.0112

2.00 0.00701 92 1.60 1.6220 0.165 0.0137

2.00 0.00873 93 1.55 1.9450 0.204 0.0161

5.4 Prueba de Retención de Basura No Flotante

Al igual que para las pruebas de captación de agua, para evaluar la retención de basura no flotante

era necesario el ajuste previo de cada una de las pendientes a evaluar, posterior a su ajuste se

procedió a seguir la metodología expuesta en el diagrama de flujo para las pruebas de retención de

basura no flotante, en donde se solicitaba la medición de diferentes parámetros los cuales serán

descritos a continuación.




parámetro que indica los cinco (5) caudales tomados por cada una de las pendientes asegurando



5.4.1.2 Peso de Entrada

Para evaluar la eficiencia de retención de basuras no flotantes se hizo uso de grava Número 4, para

el peso de entrada se determinó la variable 𝑊𝑖𝑛 la cual se encuentra en kilogramos [𝑘𝑔]. Para las



pruebas de retención de material no flotante se mantuvo un peso constante de entrada de 3000

gramos para poder obtener resultados apropiados al comportamiento del sumidero sabiendo

igualmente que era necesario realizar un mantenimiento de la trampa de arena para la recolección

del material retenido al realizar un cambio de pendiente por lo que no era conveniente tener un

peso de entrada de mayor magnitud. Es importante tener en cuenta el peso se debe determinar

luego de ser secados en un horno a 130°C por mínimo 7 horas.

Figura 40. Trampa de arena con la basura no flotante captada en prueba.

5.4.1.3 Tiempo de Adición de Material

El tiempo en el cual fue añadido el material no flotante al canal se expresa mediante la variable [𝑇],

este tiempo encuentra medido en segundos y se hizo uso de un embudo de forma que el tiempo

de vertimiento en todas las pruebas fuera aproximadamente el mismo para tener resultados

comparables y pruebas replicables a lo largo de todo el proyecto.

5.4.1.4 Peso Retenido en Malla Recolectora y Malla Exterior

Existe un porcentaje del material adicionado como peso de entrada el cual no es retenido por el

sumidero, este peso se denomina mediante la variable [𝑊𝑜𝑢𝑡] la cual se encuentra en kilogramos

[𝑘𝑔]. Para la recolección del peso que no es retenido por la rejilla se realizó el diseño y construcción



de una malla recolectora mediante la cual se aseguraba en primera instancia que no existiese

pérdidas de masa en la recolección de la misma, a continuación se presenta gráficamente la malla

recolectora en el momento de su funcionamiento en una de las pruebas. Es importante tener en

cuenta el peso se debe determinar luego de ser secados en un horno a 130°C por mínimo 7 horas.

Figura 41. Malla recolectora en uso para prueba de basura no flotante.




[𝑦1].















circular.


Con los datos descritos previamente, se realizó la evaluación de cada una de las pendientes en

donde se obtuvo los siguientes resultados para la prueba de retención de basuras No flotantes:

Tabla 13. Datos de la prueba de retención de basura no flotante para pendiente del 5%.


[𝒌𝒈] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒔] [𝒎] [𝒌𝒈] [𝒎] [𝒎]

3.00 0.00241 121.5 0.90 2.2525 0.074 0.0047

3.00 0.00431 119.0 1.05 2.4535 0.123 0.0081

3.00 0.00653 115.0 1.25 2.8285 0.174 0.0116

3.00 0.00857 117.5 1.40 2.9150 0.185 0.0149



[𝒌𝒈] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒔] [𝒎] [𝒌𝒈] [𝒎] [𝒎] 3.00 0.00179 113.0 0.95 1.9313 0.069 0.0042

3.00 0.00421 118.0 1.15 2.1935 0.108 0.0086

3.00 0.00615 117.0 1.30 2.3648 0.143 0.0118

3.00 0.00837 123.0 1.45 2.7558 0.192 0.0149



[𝒌𝒈] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒔] [𝒎] [𝒌𝒈] [𝒎] [𝒎] 3.00 0.00188 116.5 1.10 1.6950 0.036 0.0049

3.00 0.00375 118.0 1.25 1.9270 0.083 0.0087

3.00 0.00576 123.5 1.35 2.1975 0.129 0.0116

3.00 0.00806 119.5 1.50 2.3945 0.176 0.0146





[𝒌𝒈] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒔] [𝒎] [𝒌𝒈] [𝒎] [𝒎] 3.00 0.00273 122.0 1.35 1.4830 0.059 0.0073

3.00 0.00447 117.0 1.35 1.7355 0.095 0.0101

3.00 0.00636 119.0 1.40 2.0730 0.148 0.0131

3.00 0.00867 116.0 1.45 2.3835 0.184 0.0155



[𝒌𝒈] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒔] [𝒎] [𝒌𝒈] [𝒎] [𝒎] 3.00 0.00305 115.0 1.60 1.1715 0.076 0.0075

3.00 0.00452 116.0 1.70 1.5355 0.108 0.0099

3.00 0.00581 123.0 1.65 1.7465 0.142 0.0126

3.00 0.00829 121.0 1.60 2.1455 0.199 0.0159



6 ANÁLISIS DE RESULTADOS

6.1 Captación de Agua

Con los datos obtenidos y mostrados en el literal 5.2.2 se realizaron los siguientes cálculos para así

poder realizar el respectivo análisis para la prueba de captación de agua del sumidero.

6.1.1 Cálculos Realizados

Para evaluar la eficiencia de captación de agua y analizarla de acuerdo a los objetivos propuestos se

debe realizar el cálculo de los siguientes parámetros.

6.1.1.1 Caudal de Salida

El caudal que no es captado por el sumidero se denomina [𝑄𝑠] y se encuentra en [𝑚3/𝑠], este caudal

hace referencia al caudal que no ingresa a través de la rejilla y por ende mediante un balance de

masa, puede establecerse que 𝑄𝑠 se define como:

𝑄𝑠 = 𝑄𝑒 − 𝑄𝑣

Ecuación 6. Cálculo del caudal no retenido por el sumidero.

Donde

𝑄𝑠 → 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 [𝑚3/𝑠]

𝑄𝑒 → 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 [𝑚3/𝑠]

𝑄𝑣 → 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑒𝑑𝑒𝑟𝑜 [𝑚3/𝑠]

6.1.1.2 Eficiencia de Captación de Agua

Con la determinación del caudal que no ingresa al sumidero se puede determinar la eficiencia que

tiene el sumidero en una de los objetivos a evaluar del mismo, la captación del agua que fluye a

través del canal. La eficiencia de captación de agua se calcula a través de la fórmula:

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = (1 −𝑄𝑒 − 𝑄𝑣

𝑄𝑒) ∙ 100 = (1 −

𝑄𝑠

𝑄𝑒) ∙ 100

Ecuación 7. Cálculo de eficiencia de captación de agua en el sumidero.

Donde

𝑄𝑠 → 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 [𝑚3/𝑠]

𝑄𝑒 → 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 [𝑚3/𝑠]



𝑄𝑣 → 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑒𝑑𝑒𝑟𝑜 [𝑚3/𝑠]

6.1.1.3 Área Mojada

El cálculo del área mojada se realiza mediante la implementación de la Ecuación 1 en la parte del

cajón y el canal del modelo ya que son los lugares de interés para calcular los parámetros hidráulicos

que serán mostrados en los siguientes literales. Para el cálculo del área mojada se requiere de dos

variables, la profundidad de flujo y la base del canal rectangular; en el caso de las pruebas realizadas

la profundidad de flujo se tiene como la profundidad definida en 𝑦1 𝑦 𝑦2, ambas con dimensión en

metros [𝑚]; para la base del cajón y el canal se tiene una constante a lo largo de las diferentes

pruebas, que de acuerdo a las mediciones realizadas y mostradas en Anexos (Ver Anexo 1, Anexo 2

y Anexo 3), la base del cajón y el canal son respectivamente de:

𝐵𝑐𝑎𝑗ó𝑛 = 0.748 𝑚

𝐵𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙 = 0.383 𝑚

Para el caso del área mojada en el cajón se denomina mediante la variable [𝐴1] mientras que para

el área mojada del canal se tiene la variable [𝐴2], en ambos casos los resultados se encuentran en

[𝑚2] y por ende se puede re-escribir la ecuación del área mojada para ambos casos tal como se

muestra a continuación:

𝐴1 = 𝑦1 ∙ 0.748𝑚

Ecuación 8. Cálculo del área mojada en el cajón del modelo.

𝐴2 = 𝑦2 ∙ 0.383𝑚

Ecuación 9. Cálculo del área mojada en el canal del modelo.

6.1.1.4 Velocidad

Para conocer la velocidad en el cajón y en el canal del modelo se necesita conocer el área mojada

de cada una de ellas tal como se presentó en la Ecuación 8 y Ecuación 9, con este valor y conociendo

el caudal de entrada [𝑄𝑒] se sabe que:

𝑣 =𝑄𝑒

𝐴

De acuerdo a la ecuación anterior se puede definir la velocidad en cada una de las secciones de

interés en las variables [𝑣1] para el caso de la velocidad presentada por el flujo de agua en el cajón

y la variable [𝑣2] para representar la velocidad ocurrente en el canal, ambas medidas se encuentran

en [𝑚/𝑠] y se definen a través de las ecuaciones presentadas en seguida:



𝑣1 =𝑄𝑒

𝐴1

Ecuación 10. Cálculo de la velocidad en el cajón del modelo.

𝑣2 =𝑄𝑒

𝐴2

Ecuación 11. Cálculo de la velocidad en el canal del modelo.

6.1.1.5 Número de Froude

De acuerdo a la Ecuación 4, el cálculo del número de Froude depende de la profundidad del flujo,

de la velocidad y de la gravedad, dado que se tienen dos (2) velocidades y profundidades, se puede

realizar el cálculo del número de Froude antes de la pantalla y después de lo mismo, esto con el fin

de observar el control que se tiene en el flujo de agua al volver el flujo supercrítico aguas debajo de

la pantalla. Para el caso del número de Froude aguas arriba de la pantalla (en el cajón) se define

mediante la variable [𝐹𝑟1], mientras que para el número de Froude en el canal se define a través de

[𝐹𝑟2], estos valores adimensionales se calculan independientemente mediante las siguientes

ecuaciones:

𝐹𝑟1 = 𝑣1

√9.81𝑚𝑠2 ∙ 𝑦1

Ecuación 12. Cálculo del número de Froude en el cajón del modelo.

𝐹𝑟2 𝑣

√9.81𝑚𝑠2 ∙ 𝑦1

Ecuación 13. Cálculo del número de Froude en el canal del modelo.

6.1.2 Análisis de Eficiencia Respecto al Caudal de Entrada

Con los cálculos presentados con anterioridad se puede hacer un análisis independiente entre la

relación de la eficiencia de captación de agua y el caudal de entrada al modelo para cada una de las

pendientes evaluadas.

6.1.2.1 Análisis en Pendiente del 5%

A continuación se presentan los parámetros necesarios para el correspondiente cálculo de la

eficiencia de captación de agua a través de la Ecuación 7.



Tabla 18. Cálculo de eficiencia para una pendiente del 5%.

𝑸𝒆 𝑸𝒗 𝑸𝒔 𝑬𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂

[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [%]

0.00069 0.00011 0.00058 15.623%

0.00141 0.00018 0.00123 12.854%

0.00206 0.00022 0.00184 10.884%

0.00309 0.00027 0.00282 8.777%

0.00376 0.00030 0.00346 7.877%

0.00444 0.00032 0.00412 7.255%

0.00516 0.00035 0.00481 6.765%

0.00585 0.00038 0.00547 6.444%

0.00638 0.00041 0.00597 6.361%

0.00660 0.00041 0.00619 6.149%

0.00687 0.00044 0.00643 6.341%

0.00761 0.00047 0.00714 6.128%

0.00811 0.00050 0.00761 6.140%

0.00849 0.00053 0.00796 6.249%

0.00888 0.00056 0.00832 6.352%

0.00966 0.00060 0.00906 6.195%

0.01027 0.00063 0.00964 6.171%

0.01084 0.00067 0.01017 6.181%

0.01153 0.00067 0.01086 5.811%

0.01193 0.00067 0.01126 5.616%

A partir de los resultados obtenidos se puede mostrar gráficamente el comportamiento que tiene

la eficiencia de captación del sumidero con respecto al caudal de entrada, tal como se presenta a

continuación:



Gráfica 1. Caudal de entrada vs. Eficiencia para una pendiente del 5%.

Para la evaluación de la pendiente del 5% se observó que al tener un menor caudal se obtiene una

mayor eficiencia de captación de agua y a su vez que a medida que el caudal aumentaba en

magnitud, la eficiencia disminuía hasta un porcentaje de eficiencia de convergencia. La idea anterior

responde a que para el caso del menor caudal evaluado (0.69 litros) se tiene una eficiencia de

15.623%, mientras que para caudales de 6.60 litros, 8.11 litros y 10.27 litros se tienen eficiencias

de 6.149%, 6.140% y 6.171% respectivamente. El comportamiento anteriormente descrito hace

referencia al cambio de las líneas de corrientes que se tienen a medida que cambia el caudal, ya que

a mayo caudal las líneas de corriente permanecerán paralelas a lo largo de casi todo el ancho de

canal, siendo las únicas líneas de influencia en el sumidero las cercanas al mismo; mientras que para

un caudal relativamente bajo las líneas de corriente buscan estar en un estado con la menor energía

posible, la cual se encuentra en primera instancia en la caída libre que se tiene al ingresar al

sumidero.

Igualmente se puede relacionar mediante una regresión polinómica de tercer orden el caudal de

entrada [𝑚3/𝑠] y la eficiencia del sumidero [%] lo que quiere decir que no existe una relación lineal

entre el caudal que ingresa al canal y el caudal que es captado por la rejilla del sumidero estudiado,

el hecho que no tenga una relación lineal se debe a que posee una curva decreciente a medida que

la variable x incrementa cuya función puede describirse para el caso de la pendiente del 5% a partir

la ecuación presentada a continuación:

𝑦 = −224829 ∙ 𝑥3 + 5594.7 ∙ 𝑥2 − 45.438 ∙ 𝑥 + 0.1829

Ecuación 14. Regresión polinómica del Caudal de entrada vs. Eficiencia para una pendiente del 5%.

y = -224829x3 + 5594.7x2 - 45.438x + 0.1829R² = 0.9981

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

18%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014

Efic

ien

cia

[%]

Qentrada [m3/s]

Caudal de Entrada vs. Eficiencia



En la ecuación que describe la regresión polinómica se presenta una constante (0.1829) la cual se

entiende que a medida que el caudal tiende a 0 𝑚3/𝑠, la eficiencia máxima posible del sumidero en

cuanto a captación de agua es de 18.29%.

Adicional a esto se realizó el análisis mediante el coeficiente de correlación 𝑅2, el cual nos permite

conocer si los resultados son replicables dada la variación de los resultados entre sí, siendo un 𝑅2

preciso y exacto cuando tiende a 1 y un 𝑅2 deficiente cuando su resultado se acerca a 0. Para la

correlación entre el caudal de entrada y la eficiencia en una pendiente del 5% se tuvo un valor de

0.9981 el cual nos confirmó la relación apropiada entre las dos variables estudiadas.






[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [%]

0.00082 0.00016 0.00066 19.671%

0.00132 0.00022 0.00110 16.985%

0.00197 0.00027 0.00170 13.766%

0.00291 0.00032 0.00259 11.070%

0.00366 0.00035 0.00331 9.538%

0.00449 0.00038 0.00411 8.396%

0.00502 0.00041 0.00461 8.084%

0.00564 0.00044 0.00520 7.723%

0.00623 0.00047 0.00576 7.485%

0.00694 0.00050 0.00644 7.175%

0.00721 0.00053 0.00668 7.359%

0.00757 0.00056 0.00701 7.451%

0.00801 0.00060 0.00741 7.472%

0.00849 0.00060 0.00789 7.049%

0.00924 0.00063 0.00861 6.859%

0.00982 0.00063 0.00919 6.454%

0.01053 0.00063 0.00990 6.019%

0.01082 0.00063 0.01019 5.858%

0.01115 0.00060 0.01055 5.368%

0.01148 0.00060 0.01088 5.213%





continuación:






19.671%, mientras que para caudales de 6.23 litros, 7.57 litros y 9.24 litros se tienen eficiencias de

7.485%, 7.451% y 6.859% respectivamente. El comportamiento anteriormente descrito hace






sumidero.





y = -394458x3 + 8949.5x2 - 67.759x + 0.2437R² = 0.997

0%

3%

6%

9%

12%

15%

18%

21%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014

Efic

ien

cia

[%]

Qentrada [m3/s]






𝑦 = −394458 ∙ 𝑥3 + 8949.5 ∙ 𝑥2 − 67.759 ∙ 𝑥 + 0.2437















[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [%]

0.00107 0.00025 0.00082 23.103%

0.00181 0.00032 0.00149 17.798%

0.00238 0.00035 0.00203 14.667%

0.00277 0.00035 0.00242 12.602%

0.00344 0.00038 0.00306 10.958%

0.00389 0.00041 0.00348 10.432%

0.00439 0.00044 0.00395 9.922%

0.00488 0.00044 0.00444 8.926%

0.00532 0.00047 0.00485 8.765%

0.00591 0.00047 0.00544 7.890%

0.00624 0.00050 0.00574 7.980%

0.00672 0.00053 0.00619 7.895%

0.00728 0.00053 0.00675 7.288%

0.00774 0.00056 0.00718 7.288%

0.00806 0.00056 0.00750 6.998%

0.00849 0.00056 0.00793 6.644%

0.00939 0.00056 0.00883 6.007%




[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [%]

0.00994 0.00056 0.00938 5.675%

0.01049 0.00060 0.00989 5.705%

0.01095 0.00063 0.01032 5.788%



continuación:













sumidero.

y = -491446x3 + 11280x2 - 87.801x + 0.3038R² = 0.9859

0%

3%

6%

9%

12%

15%

18%

21%

24%

27%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012

Efic

ien

cia

[%]

Qentrada [m3/s]










𝑦 = −491446 ∙ 𝑥3 + 11280 ∙ 𝑥2 − 87.801 ∙ 𝑥 + 0.3038















[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [%]

0.00145 0.00041 0.00104 27.987%

0.00201 0.00041 0.00160 20.189%

0.00257 0.00044 0.00213 16.949%

0.00292 0.00047 0.00245 15.970%

0.00343 0.00047 0.00296 13.595%

0.00399 0.00047 0.00352 11.687%

0.00458 0.00047 0.00411 10.182%

0.00486 0.00047 0.00439 9.595%

0.00531 0.00050 0.00481 9.378%

0.00577 0.00050 0.00527 8.630%

0.00621 0.00050 0.00571 8.019%

0.00667 0.00050 0.00617 7.466%

0.00716 0.00050 0.00666 6.955%




[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [%]

0.00771 0.00053 0.00718 6.881%

0.00807 0.00053 0.00754 6.575%

0.00846 0.00053 0.00793 6.271%

0.00895 0.00053 0.00842 5.928%

0.00943 0.00056 0.00887 5.982%

0.00991 0.00056 0.00935 5.692%

0.01046 0.00056 0.00990 5.393%



continuación:






27.987%, mientras que para caudales de 7.16 litros, 8.46 litros y 9.91 litros se tienen eficiencias de

6.955%, 6.271% y 5.692% respectivamente. El comportamiento anteriormente descrito hace




y = -704970x3 + 16356x2 - 129.2x + 0.4166R² = 0.9858

0%

4%

8%

12%

16%

20%

24%

28%

32%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012

Efic

ien

cia

[%]

Qentrada [m3/s]






sumidero.







𝑦 = −704970 ∙ 𝑥3 + 16356 ∙ 𝑥2 − 129.2 ∙ 𝑥 + 0.4166















[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [%]

0.00154 0.00056 0.00098 36.628%

0.00208 0.00060 0.00148 28.773%

0.00248 0.00063 0.00185 25.556%

0.00301 0.00067 0.00234 22.260%

0.00359 0.00071 0.00288 19.697%

0.00413 0.00075 0.00338 18.042%

0.00447 0.00075 0.00372 16.670%

0.00503 0.00071 0.00432 14.058%

0.00558 0.00067 0.00491 12.008%




[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [%]

0.00601 0.00063 0.00538 10.546%

0.00638 0.00060 0.00578 9.381%

0.00677 0.00060 0.00617 8.840%

0.00754 0.00060 0.00694 7.937%

0.00798 0.00060 0.00738 7.500%

0.00851 0.00060 0.00791 7.033%

0.00910 0.00060 0.00850 6.577%

0.00957 0.00060 0.00897 6.254%

0.01003 0.00060 0.00943 5.967%

0.01040 0.00060 0.00980 5.755%

0.01089 0.00060 0.01029 5.496%



continuación:







y = -453913x3 + 12962x2 - 130.09x + 0.5189R² = 0.9928

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012

Efic

ien

cia

[%]

Qentrada [m3/s]










sumidero.







𝑦 = −453913 ∙ 𝑥3 + 12962 ∙ 𝑥2 − 130.09 ∙ 𝑥 + 0.5189












6.1.2.6 Análisis entre Pendientes

Gráfica 6. Caudal de entrada vs. Eficiencia en función de las diferentes pendientes evaluadas.

Como se puede evidenciar en la anterior gráfica a medida que la pendiente del canal aumentaba la

eficiencia de captación de agua disminuía, esto puede verse ya que la curva que representa los

valores obtenidos para la pendiente del 5% es la que se encuentra con una curvatura mínima,

seguida a esta se encuentra la curva de pendiente del 4% y así progresivamente la curvatura

aumenta hasta llegar a la máxima curvatura encontrada la cual coincide con la menor pendiente

(1%). Lo anterior descrito también se puede evidenciar con la relación entre la constante de la

regresión polinómica de cada una de las pendientes y la eficiencia que se tiene si el caudal tiende a

0 𝑚3/𝑠, ya que para la pendiente del 5% se tenía una eficiencia máxima del 18.29% y de forma

ascendente el valor iba creciendo hasta un valor máximo del 51.89% para la pendiente del 1%.

Lo anteriormente descrito tiene validez dado que para las pendientes analizadas se obtuvo una

correlación entre los datos mediante el 𝑅2 el cual obtuvo valores cercanos al 1, lo cual permitió

concluir de manera general que a mayor caudal se tiene menor eficiencia y a su vez entre mayor sea

la pendiente del canal se obtendrá una eficiencia menor.

6.1.3 Análisis de Eficiencia Respecto a Parámetros Hidráulicos (Velocidad de Flujo,

Número de Froude y Profundidad de Flujo)


relación de la eficiencia de captación de agua y diferentes parámetros hidráulicos como lo son la

velocidad del flujo en el canal [𝑣2], el número de Froude aguas debajo de la pantalla [𝐹𝑟2]y la

profundidad de flujo en el canal [𝑦2] para cada una de las pendientes evaluadas.

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014

Efic

ien

cia

[%]

Caudal de Entrada [m3/s]


S = 5%

S = 4%

S = 3%

S = 2%

S = 1%




A partir de las ecuaciones descritas previamente (Ecuación 8, Ecuación 9, Ecuación 10, Ecuación 11,

Ecuación 12, Ecuación 13) se determinaron los siguientes parámetros hidráulicos para la pendiente

evaluada en los siguientes caudales estudiados:

Tabla 23. Cálculo de área mojada, velocidad y número de Froude en pendiente del 5%.

𝑸𝒆 𝑬𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝑨𝟏 𝒗𝟏 𝑭𝒓𝟏 𝑭𝒓𝟏 𝑹𝒂𝒏𝒈𝒐 𝑨𝟐 𝒗𝟐 𝑭𝒓𝟐 𝑭𝒓𝟐 𝑹𝒂𝒏𝒈𝒐

[𝒎𝟑/𝒔] [%] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−]

0.00069 15.623% 0.025432 0.02713 0.0470 Subcrítico 0.001034 0.6672 4.0999 Supercrítico




















A partir de los datos calculados se puede determinar el comportamiento que presenta la eficiencia

de captación del sumidero frente a parámetros hidráulicos como la profundidad de flujo [𝑦2], la

velocidad del flujo [𝑣2] y el número de Froude en el canal [𝐹𝑟2], tal como se presenta y analiza en

seguida:



Gráfica 7. Profundidad de flujo vs. Eficiencia para una pendiente del 5%.

De la gráfica que relaciona la profundidad de flujo y la eficiencia de captación de agua se observó

que a menor profundidad la eficiencia era máxima, igualmente se tiene una relación polinómica de

segundo orden la cual describe el comportamiento mediante la ecuación:

𝑦 = 887.7 ∙ 𝑥2 − 22.84 ∙ 𝑥 + 0.2044

Ecuación 19. Regresión polinómica de la Profundidad de flujo vs. Eficiencia para una pendiente del 5%.

En donde al igual que para el análisis frente al caudal de entrada, la constante de la ecuación

(0.2044) es la eficiencia máxima posible cuando la profundidad de flujo se acerca a 0. Adicional a

esto se presenta un 𝑅2 de 0.9744 lo cual genera confiabilidad en la reproducibilidad del ensayo.

y = 887.7x2 - 22.84x + 0.2044R² = 0.9744

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

18%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018

Efic

ien

cia

[%]

y2 [m]

y2 vs. Eficiencia



Gráfica 8. Velocidad vs. Eficiencia para una pendiente del 5%.

De acuerdo a la gráfica de velocidad vs. Eficiencia se puede deducir al igual que con respecto a la

gráfica de profundidad de flujo, que mientras se tiene un valor mayor de velocidad la eficiencia

disminuirá e igualmente a medida que la velocidad disminuye acercándose a 0 la eficiencia aumenta

de forma polinómica en segundo orden mediante la ecuación:

𝑦 = 0.0763 ∙ 𝑥2 − 0.2816 ∙ 𝑥 + 0.3169

Ecuación 20. Regresión polinómica de la Velocidad vs. Eficiencia para una pendiente del 5%.


(0.3169) es la eficiencia máxima posible cuando la velocidad del flujo en el canal se acerca a 0.

Adicional a esto se presenta un 𝑅2 de 0.9769 lo cual genera confiabilidad en la reproducibilidad del

ensayo.

y = 0.0763x2 - 0.2816x + 0.3169R² = 0.9769

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

18%

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50

Efic

ien

cia

[%]

v2 [m/s]

v2 vs. Eficiencia



Gráfica 9. Número de Froude vs. Eficiencia para una pendiente del 5%.

En primera instancia se observa en la gráfica que describe la forma en que cambia la eficiencia de

captación de agua frente la variación del número de Froude que la pantalla utilizada para normalizar

el flujo cumplió la función de volver Supercrítico el flujo a través del canal, esto se puede observar

al tener números de Froude superiores en todos los casos a 1. Adicional a esto puede observarse

como el número de Froude no tiene relación lineal ni posee un patrón gráfico que pueda relacionar

este parámetro con la eficiencia de captación del caudal en el sumidero, lo cual nos indica que es

un parámetro no relacionable para describir la captación de agua a través de la rejilla del sumidero.







[𝒎𝟑/𝒔] [%] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−]








y = -0.0091x + 0.1172R² = 0.0162

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

18%

3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00

Efic

ien

cia

[%]

Fr2 [-]

Fr2 vs. Eficiencia




[𝒎𝟑/𝒔] [%] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−]

















seguida:


y = 867.63x2 - 25.378x + 0.2485R² = 0.9571

0%

5%

10%

15%

20%

25%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018

Efic

ien

cia

[%]

y2 [m]

y2 vs. Eficiencia




que a menor profundidad la eficiencia era máxima, igualmente para esta pendiente se tiene una

relación polinómica de segundo orden la cual describe el comportamiento mediante la ecuación:

𝑦 = 867.63 ∙ 𝑥2 − 25.378 ∙ 𝑥 + 0.2485




esto se presenta un 𝑅2 de 0.9571 lo cual advierte la confiabilidad en los datos suministrados en la

prueba.






𝑦 = 0.1376 ∙ 𝑥2 − 0.4942 ∙ 𝑥 + 0.5016




y = 0.1376x2 - 0.4942x + 0.5016R² = 0.9851

0%

5%

10%

15%

20%

25%

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00

Efic

ien

cia

[%]

v2 [m/s]

v2 vs. Eficiencia




ensayo.



captación de agua frente la variación del número de Froude que el número de Froude no tiene

relación lineal ni posee un patrón gráfico que pueda relacionar este parámetro con la eficiencia de

captación del caudal en el sumidero, esto se debe a que la relación con la ecuación presentada en

la gráfica posee un 𝑅2 muy bajo, lo cual nos indica que es un parámetro no relacionable para

describir la captación de agua a través de la rejilla del sumidero.







[𝒎𝟑/𝒔] [%] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−]






y = 0.0654x - 0.203R² = 0.2207

0%

5%

10%

15%

20%

25%

3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50

Efic

ien

cia

[%]

Fr2 [-]

Fr2 vs. Eficiencia




[𝒎𝟑/𝒔] [%] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−]



















seguida:


y = 1073.1x2 - 32.286x + 0.3044R² = 0.9656

0%

5%

10%

15%

20%

25%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018

Efic

ien

cia

[%]

y2 [m]

y2 vs. Eficiencia






𝑦 = 1073.1 ∙ 𝑥2 − 32.286 ∙ 𝑥 + 0.3044










𝑦 = 0.271 ∙ 𝑥2 − 0.8994 ∙ 𝑥 + 0.8047





ensayo.

y = 0.271x2 - 0.8994x + 0.8047R² = 0.9734

0%

5%

10%

15%

20%

25%

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00

Efic

ien

cia

[%]

v2 [m/s]

v2 vs. Eficiencia





captación de agua frente la variación del número de Froude que si bien en las anteriores pendientes

no existía una relación lineal o gráfica para relacionar este parámetro con la eficiencia de captación

del caudal en el sumidero, para una pendiente del 3% se tiene una línea de tendencia lineal con un

coeficiente de correlación 𝑅2 aceptable (0.7141) la cual a pesar de tener una baja variabilidad, no

nos indica una relación directa con la captación de agua ya que como se mostrará a continuación,

el número de Froude es un parámetro difícil de controlar el cual no proporciona relaciones

deducibles matemáticamente para determinar la eficiencia de caudal del sumidero estudiado.







[𝒎𝟑/𝒔] [%] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−]





y = 0.1256x - 0.4384R² = 0.7141

0%

5%

10%

15%

20%

25%

3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50

Efic

ien

cia

[%]

Fr2 [-]

Fr2 vs. Eficiencia




[𝒎𝟑/𝒔] [%] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−]




















seguida:


y = 1688.2x2 - 51.704x + 0.4538R² = 0.9776

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020

Efic

ien

cia

[%]

y2 [m]

y2 vs. Eficiencia






𝑦 = 1688.2 ∙ 𝑥2 − 51.704 ∙ 𝑥 + 0.4538










𝑦 = 0.3934 ∙ 𝑥2 − 1.2171 ∙ 𝑥 + 0.9999



(0.9999) es la eficiencia máxima posible cuando la velocidad del flujo en el canal se acerca a 0, es

decir que se puede obtener una eficiencia del 100% en caso de que la velocidad tienda a 0 𝑚/𝑠 .

y = 0.3934x2 - 1.2171x + 0.9999R² = 0.9703

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80

Efic

ien

cia

[%]

v2 [m/s]

v2 vs. Eficiencia



Adicional a esto se presenta un 𝑅2 de 0.9703 lo cual indica la poca variabilidad que tienen los datos

frente a la línea de tendencia.



captación de agua frente la variación del número de Froude que la pantalla utilizada para normalizar

el flujo cumplió la función de volver Supercrítico el flujo a través del canal, esto se puede observar

al tener números de Froude superiores en todos los casos a 1. Adicional a esto puede observarse

como el número de Froude no tiene relación lineal ni posee un patrón gráfico que pueda relacionar

este parámetro con la eficiencia de captación del caudal en el sumidero, lo cual nos indica que es

un parámetro no relacionable para describir la captación de agua a través de la rejilla del sumidero.







[𝒎𝟑/𝒔] [%] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−]





y = 0.1652x - 0.5291R² = 0.1298

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

3.00 3.20 3.40 3.60 3.80 4.00 4.20

Efic

ien

cia

[%]

Fr2 [-]

Fr2 vs. Eficiencia




[𝒎𝟑/𝒔] [%] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−]




















seguida:


y = 1614.8x2 - 57.119x + 0.5654R² = 0.9927

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020

Efic

ien

cia

[%]

y2 [m]

y2 vs. Eficiencia






𝑦 = 1614.8 ∙ 𝑥2 − 57.119 ∙ 𝑥 + 0.5654




esto se presenta un 𝑅2 de 0.9927 lo cual genera confiabilidad en la reproducibilidad del ensayo dada

su cercanía con la unidad (1).






𝑦 = 0.0763 ∙ 𝑥2 − 0.2816 ∙ 𝑥 + 0.3169


y = 0.7658x2 - 2.3596x + 1.8744R² = 0.9867

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80

Efic

ien

cia

[%]

v2 [m/s]

v2 vs. Eficiencia





captación de agua frente la variación del número de Froude que si bien en las anteriores pendientes

no existía una relación lineal o gráfica para relacionar este parámetro con la eficiencia de captación

del caudal en el sumidero, para una pendiente del 1% se tiene una línea de tendencia lineal con un

coeficiente de correlación 𝑅2 aceptable (0.7797) la cual a pesar de tener una baja variabilidad, no

nos indica una relación directa con la captación de agua ya que como se mencionó anteriormente,

el número de Froude es un parámetro difícil de controlar el cual no proporciona relaciones

deducibles matemáticamente para determinar la eficiencia de caudal del sumidero estudiado.


Al comparar los resultados obtenidos para las diferentes pendientes evaluadas en términos de

comportamiento de la eficiencia de captación de agua frente a los parámetros hidráulicos de

profundidad de flujo, velocidad y número de Froude se obtuvo las gráficas presentadas a

continuación.

y = 0.3303x - 1.1174R² = 0.7797

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

3.00 3.20 3.40 3.60 3.80 4.00 4.20 4.40 4.60

Efic

ien

cia

[%]

Fr2 [-]

Fr2 vs. Eficiencia



Gráfica 22. Profundidad de flujo vs. Eficiencia en función de las diferentes pendientes evaluadas.

De la gráfica conjunta de las diferentes pendientes para la profundidad del flujo analizada se puede

hacer énfasis en la forma en que la eficiencia de captación de agua por el sumidero aumenta a

medida que la pendiente decrece, tal como se muestra en la gráfica al tener una línea de tendencia

de menor curvatura para la pendiente del 5% con un crecimiento de la misma hasta obtener la

curvatura máxima en una pendiente del 1%. Adicional a esto se puede inferir como conclusión

general que a medida que se aumenta la profundidad del flujo se tendrá una menor eficiencia la

cual a partir de aproximadamente 1.65 cm no se verá influenciada por el cambio de pendiente ya

que convergerá a un mismo valor, aproximadamente 5.75% de eficiencia de captación de agua como

valor mínimo para cualquier pendiente analizada con una profundidad de flujo diferente y mayor a

las evaluadas.

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

0.0000 0.0020 0.0040 0.0060 0.0080 0.0100 0.0120 0.0140 0.0160 0.0180 0.0200

Efic

ien

cia

[%]

Y2 [m]

Profundidad de Flujo vs. Eficiencia

S = 5%

S = 4%

S = 3%

S = 2%

S = 1%



Gráfica 23. Velocidad vs. Eficiencia en función de las diferentes pendientes evaluadas.

En el caso de la velocidad del flujo se puede observar la forma en que la eficiencia aumenta de

manera no lineal a medida que la velocidad disminuye, igualmente se infiere cómo para una misma

velocidad la mayor eficiencia se da en una pendiente baja tal como se observa al sobreponerse la

línea de tendencia de la pendiente del 1% sobre las demás pendientes.

Gráfica 24. Caudal de entrada vs. Profundidad de flujo para las diferentes pendientes evaluadas.

La gráfica anterior muestra la forma en que variaba la profundidad de flujo con respecto al caudal,

sin embargo, se puede observar como este valor cambia de forma mínima con respecto a la

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

0.50 0.70 0.90 1.10 1.30 1.50 1.70 1.90 2.10

Efic

ien

cia

[%]

v2 [m/s]

Velocidad vs. Eficiencia

S = 5%

S = 4%

S = 3%

S = 2%

S = 1%

0.0000

0.0020

0.0040

0.0060

0.0080

0.0100

0.0120

0.0140

0.0160

0.0180

0.0200

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014

Y2 [

m]

Qentrada [m3/s]

Caudal de Entrada vs. Profundidad de Flujo

S = 5%

S = 4%

S = 3%

S = 2%

S = 1%



variación de la pendiente lo cual permite concluir la linealidad entre el caudal de entrada y

profundidad de flujo, al igual que la linealidad entre el caudal de entrada y la velocidad del flujo en

el canal como se muestra en seguida:

Gráfica 25. Caudal de entrada vs. Velocidad en función de las diferentes pendientes evaluadas.

Adicional a las gráficas previamente mostradas, se decidió omitir hacer una relación entre el número

de Froude y la eficiencia de captación de agua para las diferentes pendientes dado que no existía

una relación gráfica ni matemática para los valores calculados.

6.2 Retención de Basura Flotante


Para evaluar la eficiencia de captación de agua y retención de basura flotante y a su vez analizar los

resultados de acuerdo a los objetivos propuestos se debe realizar el cálculo de los siguientes

parámetros.



hace referencia al caudal que no ingresa a través de la rejilla y se calcula mediante la Ecuación 6

mostrada en el literal 6.1.1.1.




0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014

Vel

oci

dad

[m

/s]

Qentrada [m3/s]

Caudal de Entrada vs. Velocidad

S = 5%

S = 4%

S = 3%

S = 2%

S = 1%



través del canal. La eficiencia de captación de agua se calcula a través de la Ecuación 7 mostrada en

el literal 6.1.1.2.

6.2.1.3 Peso Retenido por el Sumidero

De los datos obtenidos por las pruebas de retención de basura flotante se tienen el peso de entrada

[𝑊𝑖𝑛] y el peso que no es retenido por el sumidero [𝑊𝑜𝑢𝑡] en kilogramos, se puede calcular el peso

retenido por el sumidero. Es importante mencionar que existe un peso el cual es retenido por el

sumidero el cual no se detiene en la trampa de arena si no que pasa a la malla de conexión entre la

tubería y el tanque de almacenamiento, sin embargo al ser material flotante el usado para la prueba,

todo el agregado retenido por el sumidero pasaba a la malla de conexión entre tanque y tubería, es

por esto que la eficiencia de retención de basura flotante se calcula con el peso que ingresa a la

malla de conexión entre el tanque de almacenamiento y la tubería mediante la ecuación mostrada

a continuación:

𝑊𝑠 = 𝑊𝑖𝑛 − 𝑊𝑜𝑢𝑡

Ecuación 29. Cálculo del peso retenido por el sumidero.

6.2.1.4 Eficiencia de Retención de Basura Flotante

Con la determinación del peso retenido por el sumidero [𝑊𝑠] se puede calcular uno de los objetivos

a evaluar en el documento actual, la eficiencia de retención de basura flotante. La eficiencia de

retención se define mediante la siguiente expresión:

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐵𝑎𝑠𝑢𝑟𝑎 𝐹𝑙𝑜𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = (𝑊𝑠

𝑊𝑖𝑛) ∙ 100 = (1 −

𝑊𝑜𝑢𝑡

𝑊𝑖𝑛) ∙ 100

Ecuación 30. Cálculo de la eficiencia de retención de basura flotante en el sumidero.




[𝑚2] y se calculan mediante la Ecuación 8 y Ecuación 9 mostradas en el literal 6.1.1.3.

6.2.1.6 Velocidad

La velocidad presentada por el flujo de agua en el cajón se puede definir mediante la variable [𝑣1]

y la velocidad ocurrente en el canal a través de la variable [𝑣2], ambas medidas se encuentran en

[𝑚/𝑠] y se calculan a través de la Ecuación 10 y Ecuación 11 respectivamente, mostradas en el literal

6.1.1.4.




Para el caso del número de Froude aguas arriba de la pantalla (en el cajón) se define mediante la

variable [𝐹𝑟1], mientras que para el número de Froude en el canal se define a través de [𝐹𝑟2], estos

valores adimensionales se calculan independiente mediante la Ecuación 12 y Ecuación 13

respectivamente, mostradas en el literal 6.1.1.5.



relación de la eficiencia de captación de agua y de retención de basura flotante con el caudal de

entrada al modelo para cada una de las pendientes evaluadas.


Los valores necesarios para determinar los objetivos planteados en relación a la eficiencia de

captación y retención de agregados flotantes en el presente proyecto de grado son enunciados en

la siguiente tabla:

Tabla 28. Cálculo de eficiencia de captación de agua y retención de basura flotante en pendiente del 5%.

𝑸𝒆 𝑸𝒗 𝑸𝒔 𝑬𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝑪𝒂𝒖𝒅𝒂𝒍 𝑾𝒔 𝑬𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝑩𝒂𝒔𝒖𝒓𝒂𝒔

[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [%] [𝒌𝒈] [%]

0.001750 0.000202 0.001548 11.555% 0.2860 14.300%

0.003110 0.000296 0.002814 9.524% 0.2415 12.075%

0.004720 0.000349 0.004371 7.396% 0.1820 9.100%

0.006040 0.000377 0.005663 6.241% 0.1715 8.575%

0.007750 0.000436 0.007314 5.621% 0.0900 4.500%

De acuerdo a la tabla anterior se puede representar gráficamente el comportamiento que tiene la

eficiencia de captación de agua y de retención de agregados flotantes al tener una variación del

caudal que fluye por en canal.



Gráfica 26. Caudal de entrada vs. Eficiencia de captación de caudal para una pendiente del 5%.

En la gráfica anterior se puede observar el comportamiento polinómico que se había identificado

en las pruebas de captación de agua con una relación entre la variable independiente (Caudal de

entrada) y la variable dependiente (Eficiencia de captación da agua) satisfactoria al tener un 𝑅2 de

0.9989. Para la pendiente del 5% se puede observar cómo la eficiencia decrece a medida que el

caudal aumenta donde se obtiene de acuerdo a los datos una eficiencia máxima medible de 11.55%,

igualmente si se obtiene un caudal de entrada cercano a cero se puede obtener la eficiencia óptima

para la pendiente del 5%, la cual corresponde a 15.2%.

Gráfica 27. Caudal de entrada vs. Eficiencia de retención de basura flotante para una pendiente del 5%.

y = 1343.5x2 - 22.82x + 0.152R² = 0.9989

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Qentrada [m3/s]

Caudal de Entrada vs. Eficiencia Caudal

y = -15.554x + 0.1698R² = 0.9737

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Qentrada [m3/s]

Caudal de Entrada vs. Eficiencia Basura



El comportamiento que tiene la eficiencia de retención de basura flotante al variar el caudal de

entrada se puede relacionar con regresión lineal la cual a través de su intercepto nos indica la

eficiencia óptima que se puede tener para una pendiente del 5% si su caudal tiende a 0 𝑚3/𝑠, para

este caso se obtiene una eficiencia del 16.98% con una correlación entre las dos variables (Caudal

de entrada y eficiencia de retención de basura flotante) de 0.9737, lo que indica un mejor ajuste de

la ecuación de la recta frente a los datos tomados.




la siguiente tabla:



[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [%] [𝒌𝒈] [%]

0.001760 0.000247 0.001513 14.046% 0.5975 29.875%

0.003720 0.000322 0.003398 8.660% 0.4280 21.400%

0.006030 0.000436 0.005594 7.224% 0.2055 10.275%

0.007330 0.000498 0.006832 6.794% 0.0910 4.550%

0.008710 0.000564 0.008146 6.476% 0.0615 3.075%











caudal aumenta donde se obtiene de acuerdo a los datos una eficiencia máxima medible de

11.046%, igualmente si se obtiene un caudal de entrada cercano a cero se puede obtener la

eficiencia óptima para la pendiente del 4%, la cual corresponde a 19.04%.

y = 2344.7x2 - 34.442x + 0.1904R² = 0.9683

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Qentrada [m3/s]














la siguiente tabla:



[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [%] [𝒌𝒈] [%]

0.001710 0.000322 0.001388 18.839% 0.7620 38.100%

0.003580 0.000377 0.003203 10.530% 0.5495 27.475%

0.005680 0.000466 0.005214 8.210% 0.3240 16.200%

0.007650 0.000531 0.007119 6.935% 0.1740 8.700%

0.009150 0.000564 0.008586 6.165% 0.0505 2.525%




y = -40.809x + 0.3632R² = 0.9784

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Qentrada [m3/s]












y = 3228.3x2 - 50.473x + 0.2588R² = 0.9651

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

18%

20%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Qentrada [m3/s]














la siguiente tabla:



[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [%] [𝒌𝒈] [%]

0.001560 0.000377 0.001183 24.164% 1.1585 57.925%

0.003270 0.000436 0.002834 13.321% 0.8745 43.725%

0.005100 0.000498 0.004602 9.764% 0.5110 25.550%

0.006520 0.000531 0.005989 8.137% 0.3530 17.650%

0.008070 0.000564 0.007506 6.990% 0.1380 6.900%




y = -47.576x + 0.4502R² = 0.9926

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Qentrada [m3/s]












y = 5362.1x2 - 76.067x + 0.3404R² = 0.9771

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Qentrada [m3/s]














la siguiente tabla:



[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [%] [𝒌𝒈] [%]

0.001710 0.000564 0.001146 32.986% 1.4075 70.375%

0.003360 0.000598 0.002762 17.812% 1.0230 51.150%

0.005130 0.000598 0.004532 11.666% 0.8705 43.525%

0.007010 0.000634 0.006376 9.041% 0.3780 18.900%

0.008730 0.000598 0.008132 6.855% 0.0550 2.750%




y = -79.083x + 0.6913R² = 0.9913

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Qentrada [m3/s]












y = 7080.5x2 - 108.23x + 0.4833R² = 0.9775

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Qentrada [m3/s]












Gráfica 36. Caudal de entrada vs. Eficiencia de caudal en función de las diferentes pendientes evaluadas.

y = -94.744x + 0.8649R² = 0.9837

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Qentrada [m3/s]


0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Qentrada [m3/s]

Caudal de Entrada vs. Eficiencia de Caudal

S = 5%

S = 4%

S = 3%

S = 2%

S = 1%



De acuerdo a la Gráfica 36 se puede evidenciar que existe un comportamiento decreciente a medida

que se aumenta en el eje x (Caudal de entrada), esto comprueba de igual forma las pruebas

realizadas exclusivamente para la captación de agua, dónde cada una de las pendientes tenía una

eficiencia máxima al acercarse a un caudal muy cercano a 0 𝑚3/𝑠 . Igualmente se observa que las

curvas que describen el comportamiento de eficiencia dependen de manera directa con la

pendiente a la cual se está trabajando, ya que para una pendiente del 1% se tiene una curva de

eficiencia mayor con respecto a cualquier caudal de entrada en comparación con las otras

pendientes y en el caso de la pendiente del 5% se tiene la curva con menor eficiencia con respecto

a las demás pendientes estudiadas.

De lo anterior se puede concluir que puede corroborarse que a mayor pendiente se tiene menor

capacidad de captación de agua en el sumidero en un caudal dado; igualmente se infiere que a

medida que aumenta el caudal, la eficiencia de captación disminuye, sin importar la pendiente en

la que se realice el trabajo ya que siempre tenderá a un valor constante, tal como se ilustró en la

anterior gráfica.

Adicional a esto se puede realizar una comparación de eficiencia de captación de agua en las

pruebas del literal 6.1. y el literal 6.2., en donde su diferencia radica que se realizó la prueba con un

flujo sin adiciona de agregados flotante y la otra con la adición de los mismos, a partir de las

ecuaciones que describen ambos comportamientos se puede relacionar las eficiencias para 4

diferentes caudales y así evidenciar el cambio de eficiencia de ambas pruebas tal como se muestra

en seguida:

Tabla 33. Comparación de eficiencia de captación de agua en las diferentes pruebas.

𝑸𝒆 𝑷𝒓𝒖𝒆𝒃𝒂

𝑪𝒂𝒑𝒕𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝑷𝒓𝒖𝒆𝒃𝒂 𝑩𝒂𝒔𝒖𝒓𝒂

𝑵𝒐 𝑭𝒍𝒐𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆

∆ 𝑬𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 [𝑪𝒂𝒖𝒅𝒂𝒍

− 𝑩𝒂𝒔𝒖𝒓𝒂] [𝒎𝟑/𝒔] [%] [%] [%]

5%

0.002 11.260% 11.173% 0.087%

0.004 7.627% 8.222% -0.594%

0.006 6.312% 6.345% -0.033%

0.008 6.234% 5.542% 0.692%

4%

0.002 14.082% 13.089% 0.993%

0.004 9.061% 9.015% 0.046%

0.006 7.413% 6.816% 0.597%

0.008 7.243% 6.492% 0.751%

3%

0.002 16.939% 17.077% -0.138%

0.004 10.162% 10.856% -0.694%

0.006 7.692% 7.218% 0.474%

0.008 7.169% 6.163% 1.006%





𝑵𝒐 𝑭𝒍𝒐𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆

∆ 𝑬𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 [𝑪𝒂𝒖𝒅𝒂𝒍

− 𝑩𝒂𝒔𝒖𝒓𝒂] [𝒎𝟑/𝒔] [%] [%] [%]

2%

0.002 21.798% 20.971% 0.827%

0.004 11.638% 12.193% -0.555%

0.006 7.794% 7.703% 0.091%

0.008 6.884% 7.504% -0.620%

1%

0.002 30.694% 29.516% 1.177%

0.004 17.688% 16.367% 1.321%

0.006 10.695% 8.882% 1.813%

0.008 7.534% 7.061% 0.473%

De acuerdo a la Tabla 33 se deduce que la adición de agregados flotantes permite tener una

eficiencia moderadamente menor en cuanto captación de agua en comparación a si se tiene

únicamente un flujo de agua sin agregados, sin embargo la diferencia de eficiencias resulta ser no

representativa dado que la mayoría se encuentra por debajo del 1%.

Gráfica 37. Caudal de entrada vs. Eficiencia de basura flotante en las diferentes pendientes evaluadas.

En la Gráfica 37 se observa el comportamiento lineal que tiene la relación entre la eficiencia de

retención de basura flotante y el caudal de entrada al canal de manera decreciente a medida que

incrementa la magnitud del valor del eje en x (Caudal de entrada). Tal como se observó con la

captación de agua, se presenta en este caso de manera similar cómo la eficiencia de retención

disminuye a medida que se aumenta la pendiente del modelo, lo que indica que la variable

dependiente es la pendiente a la cual trabajar un caudal de un evento de lluvia.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Qentrada [m3/s]


S = 5%

S = 4%

S = 3%

S = 2%

S = 1%










Para determinar la relación que tiene la eficiencia del sumidero para captar agua o retener

agregados flotantes con parámetros hidráulicos se determinaron los siguientes valores:


𝑸𝒆 𝒚𝟐 𝑨𝟐 𝑽𝟐 𝑭𝒓𝟐 𝑹𝒂𝒏𝒈𝒐 𝑭𝒓

[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−]

0.00175 0.0040 0.001532 1.1422 5.7665 Supercrítico

0.00311 0.0063 0.0024129 1.2889 5.1846 Supercrítico

0.00472 0.0082 0.0031406 1.5028 5.2989 Supercrítico

0.00604 0.0104 0.0039832 1.5163 4.7474 Supercrítico

0.00775 0.0131 0.0050173 1.5446 4.3089 Supercrítico


eficiencia de captación de agua y de retención de agregados flotantes con respecto a cada uno de

los parámetros calculados con anterioridad.



Gráfica 38. Profundidad de flujo vs. Eficiencia de caudal para una pendiente del 5%.

Gráfica 39. Velocidad vs. Eficiencia de caudal para una pendiente del 5%.

La profundidad de flujo y velocidad pueden ser parámetros relacionables con la eficiencia de

captación de agua mediante regresiones polinómicas de segundo orden, estos comportamientos

tienen un comportamiento el cual consiste en que a medida que la variable independiente

incrementa (Profundidad de flujo o velocidad) la eficiencia de captación de agua disminuye.

y = 614.09x2 - 17.228x + 0.1759R² = 0.9923

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Profundidad de Flujo [m]

Profundidad de Flujo vs. Eficiencia Caudal

y = -0.0755x2 + 0.0666x + 0.1371R² = 0.9681

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Velocidad [m/s]

Velocidad vs. Eficiencia Caudal



Gráfica 40. Profundidad de flujo vs. Eficiencia de basura flotante para una pendiente del 5%.

Gráfica 41. Velocidad vs. Eficiencia de basura flotante para una pendiente del 5%.

En el caso de la velocidad y profundidad de flujo analizadas con respecto a la eficiencia de retención

de basura flotante se observa una relación lineal en ambos casos para describir dicho

comportamiento. Si se desea tener una eficiencia alta de retención de agregados es necesario tener

una velocidad y profundidad de flujo bajas, con el fin de tener una eficiencia óptima al estar lo más

cercano a 0, ya que es el lugar en donde se encuentra la eficiencia óptima la cual para el caso de la

velocidad se tiene de 36.76% y para la profundidad de flujo de 18.43%.

y = -10.38x + 0.1843R² = 0.9694

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]


Profundidad de Flujo vs. Eficiencia Basura

y = -0.1934x + 0.3676R² = 0.8347

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60

Efic

ien

cia

Bas

ura

]%

]

Velocidad [m/s]

Velocidad vs. Eficiencia Basura



Gráfica 42. Número de Froude vs. Eficiencia de basura flotante para una pendiente del 5%.

La Gráfica 42 permite conocer la forma en que varía la eficiencia de retención de basura de acuerdo

al cambio en el número de Froude, para este caso se puede observar como a la vez que aumenta el

número de Froude la eficiencia aumenta, esto posee una correlación de variables del 0.8575 lo cual

infiere que es un resultado aceptable pero que sin embargo requiere de los demás análisis para

poder concluir si el número de Froude puede afectar la eficiencia de retención o como se observó

en la prueba de captación de agua, no era un parámetro relacionable.






[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−]

0.00176 0.0048 0.0018384 0.9573 4.4118 Supercrítico

0.00372 0.0077 0.0029491 1.2614 4.5896 Supercrítico

0.00603 0.0109 0.0041747 1.4444 4.4172 Supercrítico

0.00733 0.0128 0.0049024 1.4951 4.2194 Supercrítico

0.00871 0.0147 0.0056301 1.5470 4.0739 Supercrítico




y = 0.0621x - 0.2171R² = 0.8575

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Froude [-]

Froude vs. Eficiencia Basura





Las gráficas que relacionan la eficiencia de captación de agua con la profundidad y la velocidad

poseen un comportamiento polinómico de segundo orden en donde a medida que la variable

independiente aumenta en magnitud, la eficiencia disminuye. En ambos casos se tiene una

correlación entre los datos y la línea de tendencia adecuada, siendo demostrada con un 𝑅2 de

0.9732 para la gráfica de profundidad de flujo y 0.9987 para la gráfica de velocidad.

y = 1141.9x2 - 29.272x + 0.2517R² = 0.9732

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]



y = 0.164x2 - 0.5369x + 0.504R² = 0.9987

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Velocidad [m/s]





Gráfica 46. Velocidad vs. Eficiencia de basura para una pendiente del 4%.

Para las gráficas que muestran el comportamiento de la eficiencia de retención de basura al variar

la profundidad de flujo o la velocidad se puede inferir que existe una relación lineal la cual puede

describirse mediante una ecuación de primer orden tal como se presenta en cada gráfica, esto se

debe a que existe una relación directa entre la variable dependiente y la independiente dado su

coeficiente de correlación 𝑅2 de 0.9796 para la Gráfica 45 y de 0.9517 para la Gráfica 46.

y = -28.706x + 0.4306R² = 0.9796

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]



y = -0.4675x + 0.7653R² = 0.9517

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

0.80 1.00 1.20 1.40 1.60

Efic

ien

cia

Bas

ura

]%

]

Velocidad [m/s]




El intercepto de la ecuación de la recta nos permite conocer la magnitud de la eficiencia de retención

de basura flotante en caso de que la variable dependiente (profundidad de flujo o velocidad) se

acerque a 0; en el caso de una profundidad de flujo muy baja se puede obtener una eficiencia óptima

de 43.06%, mientras que para la velocidad se tiene una de 76.53%.







[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−]

0.00171 0.0042 0.0016086 1.0630 5.2371 Supercrítico

0.00358 0.0082 0.0031406 1.1399 4.0191 Supercrítico

0.00568 0.0111 0.0042513 1.3361 4.0488 Supercrítico

0.00765 0.0136 0.0052088 1.4687 4.0209 Supercrítico

0.00915 0.0153 0.0058599 1.5615 4.0304 Supercrítico




y = 0.4251x - 1.7077R² = 0.5421

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

4.0000 4.1000 4.2000 4.3000 4.4000 4.5000 4.6000 4.7000

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Froude [-]











y = 1119.3x2 - 32.793x + 0.3046R² = 0.9931

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

18%

20%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]



y = 0.696x2 - 2.0313x + 1.5439R² = 0.8806

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

18%

20%

0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Velocidad [m/s]











y = -32.384x + 0.5254R² = 0.9959

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

0.000 0.003 0.006 0.009 0.012 0.015 0.018

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]



y = -0.6707x + 1.0672R² = 0.9801

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60

Efic

ien

cia

Bas

ura

]%

]

Velocidad [m/s]





El número de Froude para la Gráfica 52 presenta una variación que no puede ser representada de

manera adecuada mediante una ecuación lineal o polinómica, de acuerdo a lo anterior se puede

establecer que la relación entre el número de Froude y la eficiencia de retención de basura no es

adecuada.






[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−]

0.00156 0.0047 0.0018001 0.8666 4.0359 Supercrítico

0.00327 0.0084 0.0032172 1.0164 3.5408 Supercrítico

0.0051 0.0104 0.0039832 1.2804 4.0085 Supercrítico

0.00652 0.0126 0.0048258 1.3511 3.8429 Supercrítico

0.00807 0.0146 0.0055918 1.4432 3.8134 Supercrítico




y = 0.2013x - 0.6737R² = 0.5755

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Froude [-]











y = 1868.1x2 - 53.098x + 0.4492R² = 0.9983

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]



y = 0.614x2 - 1.6819x + 1.2285R² = 0.9548

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Velocidad [m/s]











y = -52.933x + 0.8402R² = 0.9817

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0.000 0.003 0.006 0.009 0.012 0.015 0.018

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]



y = -0.8439x + 1.309R² = 0.9912

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50

Efic

ien

cia

Bas

ura

]%

]

Velocidad [m/s]








adecuada.






[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−]

0.00171 0.0048 0.0018384 0.9302 4.2865 Supercrítico

0.00336 0.0079 0.0030257 1.1105 3.9890 Supercrítico

0.00513 0.0112 0.0042896 1.1959 3.6079 Supercrítico

0.00701 0.0137 0.0052471 1.3360 3.6442 Supercrítico

0.00873 0.0161 0.0061663 1.4158 3.5624 Supercrítico




y = 0.0752x + 0.014R² = 0.0053

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

3.5000 3.6000 3.7000 3.8000 3.9000 4.0000 4.1000

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Froude [-]











y = 2324.4x2 - 70.342x + 0.6064R² = 0.9864

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]



y = 1.091x2 - 3.0872x + 2.2573R² = 0.995

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Velocidad [m/s]











y = -58.307x + 0.9996R² = 0.9645

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

0.000 0.003 0.006 0.009 0.012 0.015 0.018

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]



y = -1.3812x + 2.0276R² = 0.974

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50

Efic

ien

cia

Bas

ura

]%

]

Velocidad [m/s]





El número de Froude para la Gráfica 62 presenta una variación que puede ser linealmente, sin

embargo de acuerdo a las pruebas realizadas para las anteriores pendientes (5%, 4%, 3% y 2%), no

existe una relación adecuada el número de Froude y la eficiencia de retención de basura flotante.


Gráfica 63. Profundidad de flujo vs. Eficiencia de Caudal de las diferentes pendientes evaluadas.

De acuerdo a la Gráfica 63, se puede ver como existe una relación polinómica entre la profundidad

y la eficiencia del caudal al igual que con el caudal de entrada en donde para un nivel de agua

y = 0.736x - 2.4366R² = 0.7364

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

3.00 3.20 3.40 3.60 3.80 4.00 4.20 4.40

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Froude [-]


0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]


Profundidad de Flujo vs. Eficiencia de Caudal

S = 5%

S = 4%

S = 3%

S = 2%

S = 1%



cercano a cero (0) se tiene la mayor eficiencia posible para cada una de las respectivas pendientes

y para una profundidad de aproximadamente 1.5 centímetros se tiene una convergencia de

eficiencia de caudal, siendo el valor al que converge aproximadamente 6%. Lo descrito previamente

puede compararse con los resultados presentados en la prueba de captación de agua, resultados

los cuales tienen el mismo comportamiento decreciente a medida que aumenta la profundidad de

flujo y con un valor de convergencia en 1.65 centímetros de 5.75%, valor similar al presentado en la

Gráfica 63.

Gráfica 64. Profundidad de flujo vs. Eficiencia de Basura flotante en las pendientes evaluadas.

Tal como se mostró en las gráficas independientes de cada una de las pendientes evaluadas, la

relación de profundidad de flujo y la eficiencia de retención de agregados flotantes se puede

describir mediante una regresión lineal. Dicha regresión tiene como pendiente en la ecuación de la

recta un valor que se hace más negativo a medida que la pendiente del canal disminuye, es decir

que en un leve cambio de profundidad para una pendiente baja se puede obtener un cambio de

eficiencia considerable en comparación con una pendiente más alta la cual se somete al mismo

cambio de profundidad.

En adición a lo descrito con anterioridad, al igual que con la relación para la eficiencia de captación

de agua, es posible concluir que a medida que la pendiente del terreno disminuye se tiene una

mayor eficiencia para cualquier profundidad evaluada, igualmente se debe considerar la altura del

nivel del agua ya que si se tiene un flujo supercrítico con una profundidad de flujo muy baja, es

posible generar la mayor eficiencia posible.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]



S = 5%

S = 4%

S = 3%

S = 2%

S = 1%



Gráfica 65. Velocidad vs. Eficiencia de Caudal de las diferentes pendientes evaluadas.

La Gráfica 65 presenta una relación polinómica entre la velocidad del flujo y la eficiencia de caudal

para todas las pendientes evaluadas al igual que se mostró con anterioridad al evaluar su relación

con el caudal de entrada o la profundidad de flujo. De la gráfica se puede deducir que a medida que

disminuye la velocidad se tiene una mayor eficiencia y adicional a esto, en orden que la pendiente

del terreno disminuye, se tiene una curva de eficiencia mayor en comparación con las demás tal

como se observa en la gráfica en donde la pendiente del 1% tiene una curva de eficiencia superior

a la curva del 2% y así mismo, la curva de eficiencia del 2% es superior a la del 3%, esta relación

sucede en cada una de las pendientes evaluadas.

Es importante observar la disposición de la Gráfica 63 y la Gráfica 65, ya que para tener una mayor

eficiencia se debe tener una menor profundidad de flujo y condescendientemente, para tener una

mayor eficiencia se debe tener una menor velocidad. De acuerdo a lo anteriormente descrito, se

debe tener una profundidad y velocidad mínimas para tener una eficiencia óptima, sin embargo

ambos parámetros hidráulicos (Velocidad y Profundidad de flujo) son inversos, es decir que a

medida que la profundidad de flujo disminuye la velocidad aumenta, por lo que se debe realizar un

control del flujo subcrítico para que tenga una profundidad y velocidad mínima, es decir, tener un

número de Froude alto.

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Velocidad [m/s]

Velocidad vs. Eficiencia de Caudal

S = 5%

S = 4%

S = 3%

S = 2%

S = 1%



Gráfica 66. Velocidad vs. Eficiencia de Basura flotante de las diferentes pendientes evaluadas.

Al identificar el comportamiento que tiene la eficiencia de retención de agregados flotantes al tener

una velocidad variable se observa al igual que para la relación entre la eficiencia y el caudal de

entrada o la profundidad de flujo que se tiene una relación lineal decreciente a medida que la

velocidad aumenta (Incremento de magnitud en el eje x). A pesar de que en el caso del caudal de

entrada y de profundidad de flujo se tenga una variación con respecto a la pendiente en donde al

aumentar la pendiente se obtiene una menor eficiencia en comparación con las demás evaluadas,

para el caso de la velocidad no puede evidenciarse dicho comportamiento en todo el rango

evaluado, esto se debe a que a partir de una velocidad aproximadamente de 1.35 𝑚/𝑠 los valores

no siguen la tendencia anteriormente descrita, mientras que para valores inferiores se conserva la

tendencia a tener mayor eficiencia para una pendiente inferior.

La relación del número de Froude no se presentó debido a la inconsistencia en los valores lo que

generaba líneas de tendencia no comparables entre sí mediante un análisis hidráulico que

relacionara el número de Froude con una eficiencia específica.

6.3 Retención de Basura No Flotante


Para evaluar la eficiencia de captación de agua y retención de basura flotante y a su vez analizar los

resultados de acuerdo a los objetivos propuestos se debe realizar el cálculo de los siguientes

parámetros.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Velocidad [m/s]


S = 5%

S = 4%

S = 3%

S = 2%

S = 1%





hace referencia al caudal que no ingresa a través de la rejilla y se calcula mediante la Ecuación 6

mostrada en el literal 6.1.1.1.




través del canal. La eficiencia de captación de agua se calcula a través de la Ecuación 7 mostrada en

el literal 6.1.1.2.

6.3.1.3 Peso Retenido por el Sumidero

De los datos obtenidos por las pruebas de retención de basura flotante se tienen el peso de entrada

[𝑊𝑖𝑛] y el peso que no es retenido por el sumidero [𝑊𝑜𝑢𝑡] en kilogramos, se puede calcular el peso

retenido por el sumidero. Es importante mencionar que existe un peso el cual es retenido por el

sumidero el cual no se detiene en la trampa de arena si no que pasa a la malla de conexión entre la

tubería y el tanque de almacenamiento, sin embargo el material no flotante retenido en la trampa

de arena no era significativo y por ende todo quedaba en la misma, es decir del material no flotante

que captaba la rejilla no existía un peso que saliese por la conexión entre el tanque y la tubería. Lo

anteriormente descrito se debe al poco peso retenido en las pruebas como también en el

mantenimiento que se le hizo a la trampa de arena, ya que en cada cambio de pendiente se realizó

una limpieza de la misma para evitar acumulaciones excesivas de material retenido que pudiesen

alterar los resultados en las últimas pendientes evaluadas. De acuerdo a lo anterior, la eficiencia de

retención de basura flotante se calcula con el peso que ingresa a la trampa de arena mediante la

ecuación mostrada a continuación:

𝑊𝑠 = 𝑊𝑖𝑛 − 𝑊𝑜𝑢𝑡

Ecuación 31. Cálculo del peso retenido en la trampa de arena de basura no flotante.

6.3.1.4 Eficiencia de Retención de Basura No Flotante

Con la determinación del peso retenido por el sumidero [𝑊𝑠] se puede calcular uno de los objetivos

a evaluar en el documento actual, la eficiencia de retención de basura no flotante. La eficiencia de

retención se define al igual que la ecuación para el cálculo de la eficiencia de retención de basura

flotante, es decir la Ecuación 30 la cual se muestra en el literal 6.2.1.4.






[𝑚2] y se calculan mediante la Ecuación 8 y Ecuación 9 mostradas en el literal 6.1.1.3.

6.3.1.6 Velocidad

La velocidad presentada por el flujo de agua en el cajón se puede definir mediante la variable [𝑣1]

y la velocidad ocurrente en el canal a través de la variable [𝑣2], ambas medidas se encuentran en

[𝑚/𝑠] y se calculan a través de la Ecuación 10 y Ecuación 11 respectivamente, mostradas en el literal

6.1.1.4.


Para el caso del número de Froude aguas arriba de la pantalla (en el cajón) se define mediante la

variable [𝐹𝑟1], mientras que para el número de Froude en el canal se define a través de [𝐹𝑟2], estos

valores adimensionales se calculan independiente mediante la Ecuación 12 y Ecuación 13

respectivamente, mostradas en el literal 6.1.1.5.



relación de la eficiencia de captación de agua y de retención de basura no flotante con el caudal de

entrada al modelo para cada una de las pendientes evaluadas.



captación y retención de agregados no flotantes en el presente proyecto de grado son enunciados

en la siguiente tabla:

Tabla 39. Cálculo eficiencia de captación de agua y retención de basura no flotante en pendiente del 5%.


[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [%] [𝒌𝒈] [%]

0.00241 0.000224 0.002186 9.303% 0.7475 24.917%

0.00431 0.000296 0.004014 6.872% 0.5465 18.217%

0.00653 0.000406 0.006124 6.214% 0.1715 5.717%

0.00857 0.000498 0.008072 5.811% 0.0850 2.833%


eficiencia de captación de agua y de retención de agregados no flotantes al tener una variación del









caudal aumenta donde se obtiene de acuerdo a los datos una eficiencia máxima medible de 9.303%,



y = 1261.2x2 - 19.185x + 0.1309R² = 0.9753

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Qentrada [m3/s]




Gráfica 68. Caudal de entrada vs. Eficiencia de retención de basura no flotante en pendiente del 5%.

El comportamiento que tiene la eficiencia de retención de basura no flotante al variar el caudal de




de entrada y eficiencia de retención de basura no flotante) de 0.9574, lo que indica un mejor ajuste

de la ecuación de la recta frente a los datos tomados.







[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [%] [𝒌𝒈] [%]

0.00179 0.000247 0.001543 13.810% 1.0688 35.625%

0.00421 0.000349 0.003861 8.292% 0.8065 26.883%

0.00615 0.000436 0.005714 7.083% 0.6353 21.175%

0.00837 0.000531 0.007839 6.339% 0.2443 8.142%




y = -38.13x + 0.3372R² = 0.9574

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Qentrada [m3/s]








0.989. Para la pendiente del 4% se puede observar cómo la eficiencia decrece a medida que el caudal

aumenta donde se obtiene de acuerdo a los datos una eficiencia máxima medible de 13.810%,



y = 2323.4x2 - 34.587x + 0.1914R² = 0.989

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Qentrada [m3/s]

















[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [%] [𝒌𝒈] [%]

0.00188 0.000322 0.001558 17.135% 1.3050 43.500%

0.00375 0.000406 0.003344 10.822% 1.0730 35.767%

0.00576 0.000466 0.005294 8.096% 0.8025 26.750%

0.00806 0.000564 0.007496 6.998% 0.6055 20.183%


y = -40.672x + 0.4382R² = 0.977

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Qentrada [m3/s]














y = 3429.1x2 - 50.071x + 0.2519R² = 0.9945

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

18%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Qentrada [m3/s]

















[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [%] [𝒌𝒈] [%]

0.00273 0.000466 0.002264 17.081% 1.5170 50.567%

0.00447 0.000466 0.004004 10.432% 1.2645 42.150%

0.00636 0.000498 0.005862 7.830% 0.9270 30.900%

0.00867 0.000531 0.008139 6.120% 0.6165 20.550%


y = -38.268x + 0.5016R² = 0.9907

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Qentrada [m3/s]






Gráfica 73. Caudal de entrada vs. Eficiencia de captación de caudal en pendiente del 2%.








y = 3692.5x2 - 59.913x + 0.3046R² = 0.9892

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

18%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Qentrada [m3/s]

















[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [𝒎𝟑/𝒔] [%] [𝒌𝒈] [%]

0.00305 0.000634 0.002416 20.780% 1.8285 60.950%

0.00452 0.000707 0.003813 15.645% 1.4645 48.817%

0.00581 0.000670 0.005140 11.532% 1.2535 41.783%

0.00829 0.000634 0.007656 7.645% 0.8545 28.483%


y = -51.287x + 0.6454R² = 0.997

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Qentrada [m3/s]














y = 3145.1x2 - 60.956x + 0.3653R² = 0.9989

0%

5%

10%

15%

20%

25%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Qentrada [m3/s]












Gráfica 77. Caudal de entrada vs. Eficiencia de Caudal en función de las diferentes pendientes evaluadas.

y = -60.674x + 0.7788R² = 0.9879

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Qentrada [m3/s]


0%

5%

10%

15%

20%

25%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Qentrada [m3/s]


S = 5%

S = 4%

S = 3%

S = 2%

S = 1%



De acuerdo a la Gráfica 77, se puede deducir que las pruebas de captación de agua realizadas en

simultáneo con respecto a las pruebas de retención de basura no flotante son similares y por ende

comparables con las eficiencias dadas para la prueba de captación de agua presentada en el literal

6.1., ya que el comportamiento descrito presenta un aumento de eficiencia cuando el caudal

disminuye o cuando la pendiente evaluada es menor.

De acuerdo a lo anterior se puede realizar una comparativa de eficiencia de captación de agua

cuando se tiene agregados no flotantes y cuando no se tiene ningún agregado, es por esto que a

continuación se presenta una eficiencia dada para cuatro (4) caudales diferentes para ambas

pruebas mediante las ecuaciones que describen ambos comportamientos.

Tabla 44. Comparación de eficiencia de captación de agua en las diferentes pruebas.



𝑵𝒐 𝑭𝒍𝒐𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆 ∆ 𝑬𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂

[𝑪𝒂𝒖𝒅𝒂𝒍 − 𝑩𝒂𝒔𝒖𝒓𝒂] [𝒎𝟑/𝒔] [%] [%] [%]

5%

0.002 11.260% 9.757% 1.503%

0.004 7.627% 7.434% 0.193%

0.006 6.312% 6.119% 0.192%

0.008 6.234% 5.814% 0.421%

4%

0.002 14.082% 13.152% 0.930%

0.004 9.061% 9.023% 0.038%

0.006 7.413% 6.752% 0.660%

0.008 7.243% 6.340% 0.903%

3%

0.002 16.939% 16.547% 0.391%

0.004 10.162% 10.648% -0.486%

0.006 7.692% 7.492% 0.200%

0.008 7.169% 7.079% 0.090%

2%

0.002 21.798% 19.954% 1.844%

0.004 11.638% 12.403% -0.765%

0.006 7.794% 7.805% -0.011%

0.008 6.884% 6.162% 0.722%

1%

0.002 30.694% 25.597% 5.097%

0.004 17.688% 17.180% 0.508%

0.006 10.695% 11.279% -0.584%

0.008 7.534% 7.894% -0.359%

De acuerdo a la Tabla 44 se infiere que la adición de agregados no flotante permite tener una

eficiencia moderadamente menor en cuanto captación de agua en comparación a si se tiene

únicamente un flujo de agua sin agregados, sin embargo la diferencia de eficiencias resulta ser no

representativa dado que la mayoría se encuentra por debajo del 1%, a excepción de caudales bajos



(0.002 𝑚3/𝑠) ya que en la mayoría de casos la diferencia de eficiencias es considerable, como por

ejemplo en la pendiente del 1% el cambio de eficiencia para dicho caudal es de 5.097%.

Gráfica 78. Caudal de entrada vs. Eficiencia de basura no flotante en las diferentes pendientes evaluadas.

La Gráfica 78 permite tener una visualización de la forma en que la eficiencia disminuye a medida

que la pendiente aumenta, esta afirmación corresponde con las pruebas registradas para calcular la

eficiencia de retención de basura flotante al variar el caudal en donde para una pendiente del 5%

se obtiene una eficiencia mayor en cualquier caudal medido si se compara con los valores obtenidos

para la pendiente del 4%, 3%, 2% y 1% respectivamente. Igualmente existe una relación

inversamente proporcional entre el caudal que ingresa al canal y la eficiencia de retención de

agregados no flotante, esto se debe a que a mayor caudal se presenta una menor eficiencia de

retención de los agregados.

De acuerdo a la gráfica se puede deducir que la pendiente afecta la forma en que la eficiencia cambia

a medida que el caudal de entrada cambia sólo en el intercepto (Eficiencia óptima) ya que la línea

de tendencia del comportamiento de cada una de las pendientes tiene una ecuación con pendiente

aproximadamente similar tal como se evidencia en las gráficas de análisis de pendiente

independiente lo cual hace que las rectas sean paralelas entre sí.





0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Qentrada [m3/s]


S = 5%

S = 4%

S = 3%

S = 2%

S = 1%







agregados no flotantes con parámetros hidráulicos se determinaron los siguientes valores:



[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−]

0.00241 0.0047 0.0018001 1.3388 6.2350 Supercrítico

0.00431 0.0081 0.0031023 1.3893 4.9285 Supercrítico

0.00653 0.0116 0.0044428 1.4698 4.3571 Supercrítico

0.00857 0.0149 0.0057067 1.5017 3.9280 Supercrítico


eficiencia de captación de agua y de retención de agregados no flotantes con respecto a cada uno

de los parámetros calculados con anterioridad.


y = 436.24x2 - 11.816x + 0.1381R² = 0.9832

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]









incrementa (Profundidad de flujo o velocidad) la eficiencia de captación de agua disminuye según

la ecuación que describe la regresión en cada una de las gráficas.

y = 1.8831x2 - 5.5436x + 4.1385R² = 0.9648

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

1.30 1.35 1.40 1.45 1.50 1.55

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Velocidad [m/s]




Gráfica 81. Profundidad de flujo vs. Eficiencia de basura no flotante para una pendiente del 5%.

Gráfica 82. Velocidad vs. Eficiencia de basura no flotante para una pendiente del 5%.






y = -23.147x + 0.3566R² = 0.9568

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

0.000 0.003 0.006 0.009 0.012 0.015 0.018

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]



y = -1.3976x + 2.1206R² = 0.9957

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

1.250 1.300 1.350 1.400 1.450 1.500 1.550

Efic

ien

cia

Bas

ura

]%

]

Velocidad [m/s]






acerque a 0, es por esto que para obtener una eficiencia adecuada se debe restringir la velocidad y

la profundidad de flujo al valor mínimo posible.

Gráfica 83. Número de Froude vs. Eficiencia de basura no flotante para una pendiente del 5%.






[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−]

0.00179 0.0042 0.0016086 1.1128 5.4821 Supercrítico

0.00421 0.0086 0.0032938 1.2782 4.4005 Supercrítico

0.00615 0.0118 0.0045194 1.3608 3.9996 Supercrítico

0.00837 0.0149 0.0057067 1.4667 3.8363 Supercrítico


y = 0.099x - 0.3524R² = 0.909

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Froude [-]











y = 779.13x2 - 21.679x + 0.2147R² = 0.9933

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]



y = 0.6206x2 - 1.8104x + 1.384R² = 0.9993

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Velocidad [m/s]











y = -24.651x + 0.473R² = 0.9573

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]



y = -0.7523x + 1.2111R² = 0.9505

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60

Efic

ien

cia

Bas

ura

]%

]

Velocidad [m/s]
















[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−]

0.00188 0.0049 0.0018767 1.0018 4.5691 Supercrítico

0.00375 0.0087 0.0033321 1.1254 3.8523 Supercrítico

0.00576 0.0116 0.0044428 1.2965 3.8433 Supercrítico

0.00806 0.0146 0.0055918 1.4414 3.8087 Supercrítico


y = 0.1384x - 0.3835R² = 0.7909

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Froude [-]










y = 1032x2 - 30.557x + 0.2962R² = 1

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

18%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]



y = 0.681x2 - 1.8829x + 1.3715R² = 0.9849

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

18%

0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Velocidad [m/s]









y = -24.585x + 0.5601R² = 0.9933

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]



y = -0.5288x + 0.9587R² = 0.9958

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50

Efic

ien

cia

Bas

ura

]%

]

Velocidad [m/s]







una velocidad y profundidad de flujo bajas, con el fin de tener una eficiencia óptima al estar lo más

cercano a 0, ya que es el lugar en donde se encuentra la eficiencia óptima la cual para el caso de la

velocidad se tiene de 95.87% y para la profundidad de flujo de 56.01%.





adecuada.






[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−]

0.00273 0.0073 0.0027959 0.97642977 3.6488 Supercrítico

0.00447 0.0101 0.0038683 1.15554636 3.6711 Supercrítico

0.00636 0.0131 0.0050173 1.26761406 3.5360 Supercrítico

0.00867 0.0155 0.0059365 1.4604565 3.7453 Supercrítico

y = 0.2245x - 0.5867R² = 0.6535

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

3.70 3.80 3.90 4.00 4.10 4.20 4.30 4.40 4.50 4.60 4.70

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Froude [-]









y = 1553.8x2 - 48.313x + 0.4389R² = 0.9905

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

18%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]



y = 0.4739x2 - 1.3813x + 1.0677R² = 1

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

18%

0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Velocidad [m/s]










Gráfica 97 Velocidad vs. Eficiencia de basura no flotante para una pendiente del 2%.

y = -36.622x + 0.7816R² = 0.9943

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]



y = -0.64x + 1.138R² = 0.9824

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50

Efic

ien

cia

Bas

ura

]%

]

Velocidad [m/s]

















adecuada.




y = -0.3464x + 1.6249R² = 0.0525

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

3.5000 3.5500 3.6000 3.6500 3.7000 3.7500 3.8000

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Froude [-]






[𝒎𝟑/𝒔] [𝒎] [𝒎𝟐] [𝒎/𝒔] [−] [−]

0.00305 0.0075 0.0028725 1.0618 3.9145 Supercrítico

0.00452 0.0099 0.0037917 1.1921 3.8252 Supercrítico

0.00581 0.0126 0.0048258 1.2039 3.4244 Supercrítico

0.00829 0.0159 0.0060897 1.3613 3.4469 Supercrítico





y = 833.25x2 - 35.024x + 0.423R² = 0.9995

0%

5%

10%

15%

20%

25%

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]











y = 0.5631x2 - 1.8077x + 1.4933R² = 0.933

0%

5%

10%

15%

20%

25%

1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.40

Efic

ien

cia

Cau

dal

[%

]

Velocidad [m/s]









una velocidad y profundidad de flujo bajas.

y = -37.344x + 0.8786R² = 0.9883

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0.000 0.003 0.006 0.009 0.012 0.015 0.018

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]



y = -1.0889x + 1.7619R² = 0.9687

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

1.000 1.100 1.200 1.300 1.400

Efic

ien

cia

Bas

ura

]%

]

Velocidad [m/s]






Gráfica 104. Profundidad de flujo vs. Eficiencia de Caudal de las diferentes pendientes evaluadas.

De acuerdo a la Gráfica 104, se puede ver como existe una relación polinómica entre la profundidad

y la eficiencia del caudal al igual que con el caudal de entrada, en donde para un nivel de agua

cercano a cero (0) se tiene la mayor eficiencia posible para cada una de las respectivas pendientes

y para una profundidad de aproximadamente 1.55 centímetros se tiene una convergencia de

eficiencia de caudal, siendo el valor al que converge aproximadamente 6.2%. Lo descrito

y = 0.4652x - 1.2493R² = 0.7556

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

3.30 3.40 3.50 3.60 3.70 3.80 3.90 4.00

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Froude [-]


0%

5%

10%

15%

20%

25%

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Profundidad [m]


S = 5%

S = 4%

S = 3%

S = 2%

S = 1%



previamente puede compararse con los resultados presentados en la prueba de captación de agua,

resultados los cuales tienen el mismo comportamiento decreciente a medida que aumenta la

profundidad de flujo y con un valor de convergencia en 1.65 centímetros de 5.75%, valor similar al

presentado en la Gráfica 104.

Gráfica 105. Profundidad de flujo vs. Eficiencia de Basura no flotante de las pendientes evaluadas.

Tal como se mostró en las gráficas independientes de cada una de las pendientes evaluadas, la

relación de profundidad de flujo y la eficiencia de retención de agregados flotantes se puede

describir mediante una regresión lineal. Dicha regresión posee un comportamiento el cual a mayor

valor en términos de profundidad de flujo se obtiene una menor eficiencia de retención de

agregados no flotante. Igualmente se observa que para todas las pendientes existe una ecuación

lineal con una pendiente similar, ya que las gráficas tienen una tendencia a ser líneas paralelas entre

las diferentes pendientes lo cual puede ser evidenciado en las ecuaciones en los análisis de cada una

de las pendientes por independiente.

En adición a lo descrito con anterioridad, al igual que con la relación para la eficiencia de captación

de agua, es posible concluir que a medida que la pendiente del terreno disminuye se tiene una

mayor eficiencia para cualquier profundidad evaluada, igualmente se debe considerar la altura del

nivel del agua ya que si se tiene un flujo supercrítico con una profundidad de flujo muy baja, es

posible generar la mayor eficiencia posible.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Profundidad [m]


S = 5%

S = 4%

S = 3%

S = 2%

S = 1%



Gráfica 106. Velocidad vs. Eficiencia de Caudal de las diferentes pendientes evaluadas.

La Gráfica 106 permite relacionar los valores obtenidos en la prueba de retención de basura no

flotante con los resultados de la prueba de captación de agua, en ambos casos se obtiene que la

velocidad puede ser relacionable con la eficiencia de caudal a través de una ecuación polinómica de

segundo orden la cual describe un comportamiento decreciente en cuanto a eficiencia a medida

que la velocidad aumenta. En adición a esto se infiere que para obtener una mayor eficiencia de

captación de agua con una velocidad dada, es necesario tener una pendiente baja ya que a medida

que la pendiente disminuye la velocidad hace que la eficiencia aumente considerablemente, tal

como se muestra con la curva que describe el comportamiento para la pendiente del 1% y del 2%,

las cuales tienen una curvatura ascendente mayor a medida que la velocidad decrece.

0%

5%

10%

15%

20%

25%

0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Velocidad [m/s]


S = 5%

S = 4%

S = 3%

S = 2%

S = 1%



Gráfica 107. Velocidad vs. Eficiencia de Basura no flotante de las diferentes pendientes evaluadas.

Al identificar el comportamiento que tiene la eficiencia de retención de agregados no flotantes al

tener una velocidad variable se observa al igual que para la relación entre la eficiencia y el caudal

de entrada o la profundidad de flujo, es decir que se tiene una relación lineal decreciente a medida

que la velocidad aumenta (Incremento de magnitud en el eje x). Se observa como la velocidad en

una pendiente baja (1% y 2%) genera una curva de eficiencia mayor con respecto a las pendientes

mayores y a su vez se infiere que para una mayor pendiente el rango de velocidades se reduce, ya

que para el caso de la pendiente del 5% se tiene un rango entre 1.33 𝑚/𝑠 y 1.5 𝑚/𝑠, a diferencia

del rango de velocidades del 1% el cual se encuentra entre 1.0 𝑚/𝑠 y 1.4 𝑚/𝑠 para los caudales

evaluados.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60

Efic

ien

cia

Bas

ura

[%

]

Velocidad [m/s]


S = 5%

S = 4%

S = 3%

S = 2%

S = 1%



7 CONCLUSIONES

El presente proyecto de grado permitió cumplir los objetivos planteados para el desarrollo del

mismo, se pudo realizar un estudio de la eficiencia de captación de agua, de retención de basura

flotante y agregados no flotantes al evidenciar el comportamiento del mismo con diferentes

condiciones hidráulicas y parámetros de entrada.

En la prueba de captación de agua se llegó a la conclusión general que para obtener una mayor

eficiencia se debe tener una menor pendiente, siendo para el estudio de las pendientes {5%, 4%,

3%, 2% y 1%} la que obtuvo la mejor eficiencia en cualquier magnitud de la variable dependiente

(Caudal de entrada, Profundidad de flujo y Velocidad) la pendiente del 1%. Igualmente se determinó

que existe una relación decreciente entre la variable dependiente (Eficiencia de captación de agua)

y las variables independientes, ya que a medida que aumentaba su valor en magnitud, la eficiencia

disminuía con razón polinómica.

En la prueba de retención de agregados flotantes se determinó que la eficiencia de captación de

agua existe una disminución en su eficiencia debido a la presencia del agregado, sin embargo este

cambio de eficiencia en comparación con la primer prueba (prueba de captación de agua) es en la

mayoría de los casos inferior al 1% lo cual puede ser debido a la incertidumbre de las mediciones y

no porque el agregado flotante afecte el ingreso del caudal al sumidero. En cuanto a la eficiencia de

retención de basura flotante se obtuvo como conclusión general que la eficiencia se describe

mediante una relación lineal en donde para las diferentes pendientes evaluadas existe una ecuación

con una pendiente similar entre sí pero con un intercepto variable, esto produjo líneas de tendencia

paralelas en las que el intercepto aumentaba en orden la pendiente disminuía, es decir que la

eficiencia óptima aumentaba inversamente proporcional a la pendiente del terreno.

Como parte de la segunda prueba (retención de agregados flotantes), se demostró que a medida

que el caudal aumentaba la eficiencia disminuía, este comportamiento se observó igualmente al

tener como variables los parámetros hidráulicos de profundidad de flujo y velocidad, en donde para

una velocidad o profundidad mínima la eficiencia medida era la mayor en comparación con vectores

de magnitud mayores, estos comportamientos se representaban adecuadamente mediante

regresiones de primer orden para los tres casos enunciados.

En la tercera prueba, retención de agregados no flotantes, como parte del análisis se determinó que

la eficiencia de retención tenía un comportamiento lineal cuando se evaluaba en función del caudal

de entrada, la profundidad de flujo o la velocidad en el canal. Tal como se enunció en las otras dos

pruebas, la eficiencia de retención es mayor cuando la pendiente evaluada es menor y a su vez es

mayor cuando la variable independiente (Caudal de entrada, profundidad de flujo o velocidad) es

muy baja.



El análisis con respecto a variables hidráulicas tenía como objetivo la evaluación de la eficiencia con

respecto al número de Froude, sin embargo, esta relación no tuvo resultados apropiados de manera

gráfica o numérica mediante una regresión lineal o polinómica, de acuerdo a lo anterior la eficiencia

de captación de agua, de retención de basura flotante o de retención de agregados no flotantes no

puede ser relacionable con el número de Froude que presenta el flujo. A pesar de no tener una

correspondencia ambas variables, anteriormente se enunció que para una mejor eficiencia tanto la

profundidad del flujo como la velocidad deben ser mínimas, esto ocurre cuando para una

profundidad determinada se obtiene la menor velocidad posible, generando un número de Froude

que se acerca al flujo crítico, es decir a 1.

Con el análisis propuesto se puede identificar que la retención de material flotante es más eficiente

que la captación de agregados no flotantes, esto se debe a que el material flotante no ejerce algún

empuje en el flujo el cual lo transporta con las líneas de corriente al punto de menor energía el cual

corresponde con la caída libre al interior del sumidero, mientras que el agregado no flotante ejerce

una fuerza en contra del flujo lo que imposibilita su transporte de manera eficiente hacia el interior

del sumidero. Adicional a esto se puede determinar con el presente estudio la eficiencia que se tiene

para diferentes propiedades hidráulicas como el caudal que ingresa al canal, la altura del flujo o la

velocidad mediante las gráficas que fueron expuestas para los diferentes casos, esta aproximación

resulta conveniente dado el coeficiente de correlación adoptado en cada una de las gráficas el cual

se aproximaba en la mayoría al valor de 1 y por ende un diseño de sumidero en el cual se conoce el

caudal y la pendiente del terreno podría determinar inmediatamente la eficiencia que tendría un

sumidero de referencia WAVIN al ser usado en dicho caso.



8 RECOMENDACIONES

Existe una variación en los resultados obtenidos dado errores sistemáticos, aleatorios y de escala que fueron diagnosticados en las pruebas realizadas en el presente informe, de los errores sistemáticos se puede identificar la calibración del vertedero ya que se utilizó una ecuación constante en las diferentes pendientes sin conocer realmente si el cambio de pendiente afectaba su calibración; de la misma forma existieron errores aleatorios debido a la continuidad que se dio en el modelo para realizar pruebas, dejando un intervalo de tiempo mínimo entre pruebas para obtener los datos de manera eficiente como también el acontecimiento de fugas en el modelo en la conexión entre el canal y la rejilla como también la rejilla y el tanque de almacenamiento.

Por último se tuvo errores de escala en todas las mediciones del presente proyecto de grado, esto se debe a que no existía una escala precisa para medir la altura del limnímetro y por ende se obtenía un valor aproximado del mismo, igualmente para el cálculo del caudal de entrada se usó como referencia el valor dado en el caudalímetro, valor el cual a pesar de esperar 5 minutos de acuerdo al procedimiento presentado en los diagramas de flujo su valor no convergía a un valor exacto, es por esto que se realizó un promedio de los valores dados y como último error de escala, al momento de medir la profundidad de flujo aguas arriba de la pantalla se usó una regla con precisión del milímetro para obtener un dato de un flujo que variaba dado el caudal cambiante, para esto igualmente se obtuvo el resultado como el promedio de los valores en los cuales se tenía el nivel de agua.

Debido a los diferentes errores descritos anteriormente, para posteriores estudios se recomienda otro medio de medición del caudal de entrada al sumidero para evitar inconsistencias en valores obtenidos a partir de la calibración del vertedero y como tener errores de escala al medir la altura de limnímetro. Para el proceso constructivo se recomienda realizar una conexión hermética entre el terreno y la rejilla como también la rejilla y el tanque de almacenamiento, esto con el fin de evitar posibles fugas de tanto agua como agregados que el evento de lluvia arrastre.

Dado que se efectuó anteriormente la evaluación de un sumidero de rejilla en cuneta a través del estudio realizado por Isabella Castro Montero y con el presente informe se analiza el sumidero tipo ventana, se sugiere posteriormente a realizar la evaluación de sumideros mixtos para determinar así la forma en que las propiedades hidráulicas interfieren con la eficiencia de cada uno de los sumideros y así poder escoger eficientemente para unas condiciones hidráulicas dadas, el tipo de sumidero que satisfaga el escenario con la mejor eficiencia posible.

Se recomienda hacer uso del sumidero tipo ventana para lugares cuya pendiente sea inferior al 3% para obtener una eficiencia de captación para una pendiente transversal del 0% de mínimo 18% de agua, igualmente para el caso de retención de basura flotante y no flotante existe una mejor eficiencia cuando su pendiente es de máximo 3%, que de acuerdo a las normas y especificaciones generales contempladas en el RAS 2000 en el título D.7.6.3.1. “su capacidad de captación se ve afectada cuando están localizados en vías con pendientes longitudinales muy pronunciadas, por lo general mayores al 3%” (Ministerio de Desarrollo Económico, 2000).



De acuerdo a las conclusiones descritas previamente, la mejor eficiencia para captar agua, retener basura flotante y retener agregados no flotantes se da cuando existe un caudal bajo, una profundidad de flujo baja o una velocidad del flujo baja. De acuerdo a las anteriores restricciones, es recomendable usar el sumidero tipo ventana en zonas donde se tenga una intensidad de precipitación baja para así lograr tener un caudal bajo, igualmente se recomienda ubicar estos sumideros en zonas con pendientes bajas para que mediante la implementación de flujo supercrítico se a acceda propiedades hidráulicas adecuadas para la optimización de la eficiencia del sumidero.



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176

10 ANEXOS

PROYECTO DE GRADO ESTRUCTURA DE RETENCIÓN DE …

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