Guia Tec Aguapdf.docx

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Julio 2005

Ministerio de Servicios ', y Obras Públicas • Vicerninisterio de Servicios

DERECHOS RESERVADOS Documento del Ministerio de Servicios y Obras Públicas de la República de Bolivia. Se autoriza la reproducción parcial o total, haciendo referencia a la fuente. ELABORADO POR Consorcio Aguilar & Asociados - HYTSA Estudios y Proyectos DEPÓSITO LEGAL: 4-1-268-05 P.O.

IMPRESIÓN Publicidad e Impresión GENESIS Av. Mariscal Santa Cruz • Edif. La Esperanza Piso 4 Of. 2 Telf.: 233 1361 - 231 2279 www.genesisycia.com e-mail: [email protected] La Paz, Julio de 2005

MINISTERIO DE SERVICIOS Y OBRAS PÚBLICAS VICEMINISTERIO DE SERVICIOS BÁSICOS

Guía Técnica de Diseño de Proyectos de Agua Potable para Poblaciones Menores a 10.000 Habitantes

Julio, 2005

PREFACIO La “Guía Técnica de Diseño de Proyectos de Agua Potable para Poblaciones Menores a 10.000 Habitantes”, fue elaborada por el Ministerio de Servicios y Obras Públicas a través del Viceministerio de Servicios Básicos dentro del alcance del Programa de Saneamiento Básico para Pequeños Municipios “PROAGUAS”, en la gestión de las siguientes autoridades sectoriales: Ing. Mario Moreno Viruéz Ing. Eduardo Rojas Gastelú Ing. Erico Navarro Agreda

Ministro Servicios y Obras Públicas Viceministro de Servicios Básicos Gerente de Proyecto PROAGUAS

La coordinación y supervisión fue realizada por los siguientes profesionales: Ing. Edgar García R. Ing. Reynaldo Villalba A. Ing. Alexander Chechilnitzky Z. Lic. Roxana Araujo R. Ing. Fernando Caballero M. Ing. Roger Yugar Y. Ing. Marco Rosas B.

Director General de Servicios Básicos VSB Director Area Normas y Tecnología VSB Consultor Internacional Consultora Fortalecimiento Institucional PROAGUAS Consultor Normas y Tecnología PROAGUAS Consultor Normas y Tecnología PROAGUAS Consultor Seguimiento y Monitoreo PROAGUAS

La elaboración del documento estuvo a cargo del Consorcio Aguilar & Asociados – HYTSA Estudios y Proyectos, con la participación de los profesionales: Ing. Humberto Cordero Ing. Humberto Cáceres Ing. Carlos España

Gerente de Proyecto Consultor Agua Potable Consultor Agua Potable

Financiamiento: Programa de Saneamiento Básico para Pequeños Municipios (PROAGUAS) Contrato de Préstamo 1050/SF-BO Banco Interamericano de Desarrollo B.I.D. Elaboración: Consorcio Aguilar & Asociados-HYTSA Estudios y Proyectos

PRESENTACION El Ministerio de Servicios y Obras Públicas a través del Viceministerio de Servicios Básicos dentro del alcance del PROAGUAS y con el financiamiento del Banco Interamericano de Desarrollo, presenta a las instituciones, organizaciones y profesionales del Sector de Saneamiento Básico la “Guía Técnica de Diseño de Proyectos de Agua Potable para Poblaciones Menores a 10.000 Habitantes”, documento elaborado en el marco de lo establecido en las Normas, Reglamentos y otras disposiciones legales en vigencia. Este producto desarrollado por el Consorcio Aguilar & Asociados - HYTSA Estudios y Proyectos contó con el concurso de profesionales bolivianos de reconocida trayectoria en el sector, y con el asesoramiento y contribución de un Consultor Internacional, por lo que el contenido de este documento es de alta calidad técnica. La implementación de esta Guía facilitará y mejorará la calidad de los proyectos de preinversión e inversión del Sector de Agua y Saneamiento, apoyando el trabajo de las Prefecturas, Municipios, Instituciones del Estado, Organismos de Cooperación, Organizaciones no Gubernamentales y otras entidades vinculadas con el sector.

GUÍA DE DISEÑO TÉCNICO DE PROYECTOS DE AGUA POTABLE PARA POBLACIONES MENORES A 10.000 HABITANTES

INDICE Pag. CAPITULO 1 - GENERALIDADES ............................................................................................................... 9 1.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 9 1.2. OBJETO ................................................................................................................................................ 9 1.3. CAMPO DE APLICACIÓN...................................................................................................................... 9 CAPITULO 2 - ASPECTOS BÁSICOS PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE PROYECTOS DE AGUA POTABLE ............................................ 10 2.1. CRITERIOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE UN PROYECTO ....................................................... 10 2.1.1 Etapas de Diseño de un Proyecto ............................................................................................. 10 2.1.2 Componentes de un Proyecto de Agua Potable a Diseño Final ............................................... 12 2.1.3 Principios para el Diseño de un Proyecto de Agua Potable ..................................................... 13 2.2 ESTUDIOS TÉCNICOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE PROYECTOS DE AGUA POTABLE .... 13 2.3. ESTUDIOS SOCIOECONÓMICOS PARA EL DISEÑO DE PROYECTOS DE AGUA POTABLE .... 16 CAPITULO 3 - PARÁMETROS BÁSICOS DE DISEÑO ............................................................................ 19 3.1 POBLACIÓN DEL PROYECTO.......................................................................................................... 19 3.1.1 Métodos de cálculo .................................................................................................................... 20 3.1.2 Aplicación de métodos según el tamaño de población ............................................................ 20 3.2 CONSUMO DE AGUA ......................................................................................................................... 21 3.2.1 Dotación media diaria ................................................................................................................ 22 3.2.2 Dotación futura de agua ............................................................................................................ 23 3.2.3 Dotación para otro tipo de usos ................................................................................................. 23 3.3 CAUDALES DE DISEÑO ...................................................................................................................... 23 3.3.1 Caudal medio diario ................................................................................................................... 24 3.3.2 Caudal máximo diario ................................................................................................................ 24 3.3.3 Caudal máximo horario.............................................................................................................. 24 3.4 PERÍODO DE DISEÑO ......................................................................................................................... 25 3.5 CALIDAD DEL AGUA .......................................................................................................................... 25 3.5.1 Calidad del agua natural para la selección de la fuente de abastecimiento ............................. 26 3.5.2 Calidad del agua para consumo humano ................................................................................... 26 CAPITULO 4 – CAPTACIÓN DE AGUA SUPERFICIAL ........................................................................... 27 4.1 DEFINICIÓN ......................................................................................................................................... 27 4.2 FUENTES DE AGUA SUPERFICIAL ................................................................................................. 27 4.3 DISEÑO DE OBRAS DE CAPTACIÓN DE AGUAS SUPERFICIALES .............................................. 27 4.3.1 Canal de derivación ................................................................................................................... 27 4.3.2 Obra de captación lateral .......................................................................................................... 30 4.3.3 Obra de captación de fondo ...................................................................................................... 36 4.3.4 Estaciones de bombeo directo ................................................................................................. 40 4.3.5 Lechos filtrantes o Prefiltración ................................................................................................. 40 CAPITULO 5 – CAPTACIÓN DE AGUA SUBTERRÁNEA ......................................................................... 45 5.1 DEFINICIÓN ......................................................................................................................................... 45 5.2 FUENTES DE AGUA SUBTERRÁNEA ............................................................................................... 45 5.3 DISEÑO DE OBRAS DE CAPTACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS ............................................. 45 5.3.1 Captación de vertientes ............................................................................................................. 45 5.3.2 Estructura filtrante (Galería Filtrante) ....................................................................................... 48 5.3.3 Pozos ......................................................................................................................................... 53 CAPITULO 6 – CAPTACIÓN DE AGUA DE LLUVIA .................................................................................. 58 6.1 DEFINICIÓN ......................................................................................................................................... 58 6.2 DISEÑO DE OBRAS DE CAPTACIÓN DE AGUA DE LLUVIA ......................................................... 58

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6.2.1 Captación en la superficie del suelo ......................................................................................... 58 6.2.2 Captación en techos ................................................................................................................. 60 CAPITULO 7- ADUCCIÓN DE AGUA POR GRAVEDAD .........................................................................63 7.1 DEFINICIÓN ......................................................................................................................................... 63 7.2 TIPOS DE ADUCCIÓN POR GRAVEDAD ...........................................................................................63 7.3 DISEÑO HIDRÁULICO DE LA ADUCCIÓN POR GRAVEDAD ..........................................................63 7.3.1 Caudal de diseño ...................................................................................................................... 63 7.3.2 Diseño hidráulico de canales ................................................................................................... 63 7.3.3 Diseño hidráulico de tuberías ................................................................................................... 69 CAPITULO 8 - ADUCCIÓN DE AGUA POR BOMBEO .............................................................................77 8.1 DEFINICIÓN ......................................................................................................................................... 77 8.2 TIPOS DE ADUCCIÓN POR BOMBEO ..............................................................................................77 8.3 DISEÑO HIDRÁULICO DE LA ADUCCIÓN POR BOMBEO ..............................................................79 8.3.1 Caudal de bombeo ................................................................................................................... 79 8.3.2 Altura manométrica de bombeo ................................................................................................80 8.3.3 Diámetro de la tubería de succión ............................................................................................ 85 8.3.4 Diámetro de la tubería de impulsión ......................................................................................... 85 8.3.5 Golpe de ariete ........................................................................................................................ 87 CAPITULO 9 – ESTACIONES DE BOMBEO ............................................................................................89 9.1 DEFINICIÓN ......................................................................................................................................... 89 9.2 CLASIFICACIÓN DE LAS ESTACIONES DE BOMBEO ......................................................................89 9.3 DISEÑO DE LAS ESTACIONES DE BOMBEO ....................................................................................91 9.3.1 Estimación de caudales ........................................................................................................... 91 9.3.2 Sumergencia mínima................................................................................................................ 91 9.3.3 Potencia del equipo de bombeo ................................................................................................93 9.3.4 Capacidad de la cámara de bombeo ........................................................................................94 CAPÍTULO 10 – PLANTAS POTABILIZADORAS DE AGUA ...................................................................98 10.1 DEFINICIÓN ...................................................................................................................................... 98 10.2 CRITERIOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE PLANTAS POTABILIZADORAS DE AGUA .............98 10.2.1 Procesos y operaciones de tratamiento de las aguas superficiales ...................................... 99 10.2.2 Procesos y operaciones de tratamiento de las aguas subterráneas ................................... 101 10.3 OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS EN PLANTAS POTABILIZADORAS DE AGUA ...... 102 10.3.1 Medición de caudales ........................................................................................................... 102 10.3.2 Transferencia de gases (aireación) ..................................................................................... 106 10.3.3 Transferencia de sólidos ...................................................................................................... 116 CAPITULO 11 – DESINFECCIÓN EN SISTEMAS DE AGUA POTABLE ..............................................164 11.1 DEFINICIÓN .................................................................................................................................... 164 11.2 DESINFECCIÓN DEL AGUA PARA CONSUMO HUMANO ........................................................... 164 11.2.1 Cálculo del peso de hipoclorito de calcio o sodio. .............................................................. 169 11.2.2 Cálculo del peso del producto comercial. ........................................................................... 169 11.2.3 Cálculo de la demanda horaria de solución. ....................................................................... 169 11.2.4 Cálculo del volumen de la solución. .................................................................................... 169 11.3 TECNOLOGÍAS APROPIADAS PARA LA DESINFECCIÓN DEL AGUA ....................................... 171 CAPITULO 12 - TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE AGUA ...........................................................173 12.1 DEFINICIÓN .................................................................................................................................... 173 12.2 TIPOS DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO ............................................................................. 173 12.3 CAPACIDAD DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO ................................................................... 175 12.3.1 Volumen de regulación ........................................................................................................ 175

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12.3.2 Volumen contra incendios .................................................................................................... 176 12.3.3 Volumen de reserva ............................................................................................................. 176 CAPITULO 13 – REDES DE DISTRIBUCIÓN ......................................................................................... 13.1 DEFINICION .................................................................................................................................... 13.2 TIPOS DE REDES ........................................................................................................................... 13.3 FORMAS DE DISTRIBUCIÓN ......................................................................................................... 13.4 DISEÑO DE REDES DE AGUA POTABLE ..................................................................................... 13.4.1 Determinación de caudales en redes cerradas .................................................................... 13.4.2 Determinación de caudales en redes abiertas .................................................................... 13.4.3 Caudal en piletas públicas. .................................................................................................. 13.4.4 Análisis hidráulico de las redes de distribución ................................................................... 13.5 ASPECTOS COMPLEMENTARIOS PARA EL DISEÑO DE REDES DE DISTRIBUCIÓN ............ 13.5.1 Presión de Servicio............................................................................................................... 13.5.2 Velocidades ......................................................................................................................... 13.5.3 Diámetros mínimos............................................................................................................... 13.5.4 Profundidad y anchos de las zanjas ..................................................................................... 13.5.5 Conexiones Domiciliarias .................................................................................................... 13.5.6 Piletas Públicas ................................................................................................................... 13.5.7 Medidores de Agua Potable .................................................................................................

178 178 178 178 180 180 183 186 187 188 188 188 188 188 189 189 191

CAPITULO 14 – BOMBAS MANUALES ..................................................................................................192 14.1. DEFINICIÓN ................................................................................................................................... 192 14.2. TIPOS DE BOMBAS MANUALES ................................................................................................... 192 14.3. CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE LA BOMBA MANUAL ..................................................... 198 CAPITULO 15 – VÁLVULAS, TUBERÍAS Y ACCESORIOS ..................................................................199 15.1 VÁLVULAS ....................................................................................................................................... 199 15.1.1 Clasificación de las válvulas ................................................................................................. 199 15.2 TUBERÍAS Y ACCESORIOS ............................................................................................................201 15.2.1 Tipos de Materiales para Tuberías y Accesorios ................................................................. 201 CAPITULO 16 – OBRAS ESPECIALES EN SISTEMAS DE AGUA POTABLE .....................................203 16.1. ANCLAJES PARA SISTEMAS DE AGUA POTABLE ......................................................................203 16.2. CRITERIOS TÉCNICOS PARA EL DISEÑO DE CRUCES DE CURSOS DE AGUA .....................211 16.2.1 Sifones Invertidos .................................................................................................................211 16.2.2 Puentes Rígidos .................................................................................................................. 213 16.2.3 Puentes Colgantes ............................................................................................................... 213 GLOSARIO ................................................................................................................................................214 NOMENCLATURA ....................................................................................................................................219 ANEXO 1 ..................................................................................................................................................221 ANEXO 2 ...................................................................................................................................................222 ANEXO 3 ...................................................................................................................................................223

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CAPITULO 1 – GENERALIDADES 1.1 INTRODUCCIÓN El Ministerio de Servicios y Obras Públicas, a través del Programa de Saneamiento Básico para Pequeños Municipios (PROAGUAS) del Viceministerio de Servicios Básicos ha identificado la necesidad de desarrollar la Guía Técnica de Diseño de Proyectos de Agua Potable para Poblaciones Menores a 10.000 Habitantes, con el objetivo de mejorar las coberturas en servicios de agua potable en el área rural y poblaciones menores; y direccionar las acciones necesarias para la reposición y/o ampliación de sistemas de agua existentes. La Guía pretende ser un instrumento de apoyo a los profesionales del sector y a los Gobiernos Municipales a nivel nacional en la elaboración de estudios de preinversión para sistemas de agua potable. Es parte de un juego de documentos técnicos desarrollados por el PROAGUAS que incluyen: Planos de Diseño Tipo, Especificaciones Técnicas y Costos Referenciales para sistemas de agua potable. La Guía se ha elaborado tomando como base la Norma Boliviana (NB-689): Instalaciones de Agua – Diseño para Sistemas de Agua Potable y sus respectivos Reglamentos Técnicos editados en el año 2005. 1.2 OBJETO La guía establece los criterios técnicos de diseño de sistemas de agua potable para poblaciones menores a 10.000 habitantes, considerando los parámetros, criterios y consideraciones establecidas por la Norma y Reglamentos de Diseño para Sistemas de Agua Potable vigentes.

1.3

CAMPO DE APLICACIÓN La Guía se ha desarrollado para ayudar a los profesionales y técnicos que trabajan en el sector Saneamiento Básico para realizar el diseño de sistemas de agua potable en poblaciones menores a 10.000 habitantes. Para el empleo de la Guía se espera que el lector tenga conocimientos básicos sobre el diseño y/o construcción de sistemas de agua potable convencional y/o alternativa.

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CAPITULO 2 - ASPECTOS BÁSICOS PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE PROYECTOS DE AGUA POTABLE Para la implementación de proyectos de agua potable es importante considerar aspectos básicos que permitirán obtener sistemas sostenibles en el tiempo y que respondan óptimamente a las necesidades de los beneficiarios. Para el efecto a continuación se presentan algunos conceptos básicos para entender mejor la implementación de proyectos de agua potable en poblaciones menores a 10.000 habitantes.

2.1

CRITERIOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE UN PROYECTO Los criterios básicos para el diseño de un proyecto pueden clasificarse de acuerdo a la presente guía en:   

Etapas de diseño de un Proyecto Componentes de un Proyecto Principios para el Diseño de un Proyecto

2.1.1 Etapas de Diseño de un Proyecto Un proyecto de saneamiento básico tendrá regularmente tres etapas de vida desde su concepción hasta el término de su vida útil. Estas etapas son descritas a continuación. 2.1.1.1 Preinversión La preinversión consiste en una serie de estudios que posibilitan establecer las condiciones iniciales y actividades que se deben desarrollar para implementar un proyecto de agua potable. La preinversión puede dividirse a su vez en: a) Idea de proyecto: cuando solamente se tiene la concepción inicial del proyecto en respuesta a una necesidad de la comunidad o comunidades. En los proyectos rurales de saneamiento básico, la idea de proyecto es presentada normalmente por la comunidad o el municipio. b) Estudio de Prefactibilidad: mediante este estudio se determina si existen las condiciones técnicas y financieras básicas para la ejecución del proyecto; por ejemplo: el número aproximado de beneficiarios, posibilidades de financiamiento o cantidad de agua en la(s) fuente(s). c) Estudio de Factibilidad: este estudio tiene por objetivo determinar la viabilidad técnica y económica del proyecto, es decir, determinará si la o las soluciones que se propongan son posibles técnica y ambientalmente; y, analizará extensivamente la sostenibilidad del proyecto desde el punto de vista social, económico y operativo.

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d) Estudio a Diseño Final: consiste en el desarrollo de los estudios sociales, técnicos y ambientales que posibiliten la implementación del proyecto hasta su término. Es decir, a través de él se desarrollaran estudios de campo extensivos, diseños de ingeniería (hidráulicos, sanitarios y arquitectónicos), memorias de cálculo, determinación de volúmenes de obra, costos, forma de implementación, etc. Además desde el punto de vista social se habrá identificado a los líderes, organizado a los beneficiarios y capacitado en los principios de educación sanitaria y otros. 2.1.1.2 Inversión Se conoce con el nombre de inversión a la etapa del proyecto que efectiviza su implementación física. La inversión en proyectos de saneamiento básico podrá comprender los siguientes aspectos: a) Obras Civiles, que comprende los siguientes subcomponentes: 

Construcción: fase en la cual se construye el sistema de agua siguiendo las indicaciones técnicas detalladas en planos, memorias de cálculo y especificaciones técnicas productos del diseño final.



Equipamiento: consiste en la instalación de componentes mecánicos, eléctricos y/o electrónicos juntamente las obras civiles, que son fabricados por proveedores específicos, por ejemplo, bombas de agua potable, plantas de tratamiento compactas, paneles solares, etc.

b) Desarrollo Comunitario: comprende todas las actividades de tipo social en las que participa activamente la población beneficiada para la promoción, organización, planificación, ejecución, capacitación, educación sanitaria y evaluación de un proyecto de saneamiento básico. c) Capacitación técnica: se refiere a la transferencia de conocimientos o capacitación sobre en manejo de equipos, instrumentos y software que posibilitan la operación y mantenimiento y gestión de servicios de agua potable y/o saneamiento. 2.1.1.3 Funcionamiento del Servicio Se entiende como tal, al conjunto de actividades que permiten otorgar el servicio de agua potable. Se inicia con la puesta en marcha del servicio hasta el término de su vida útil. Durante el funcionamiento del servicio, la entidad responsable cumplirá las funciones de administrar, operar y mantener el servicio en forma eficiente y sostenible.

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2.1.2 Componentes de un Proyecto de Agua Potable a Diseño Final Para el diseño final de un proyecto de agua potable deben ser considerados tres componentes interrelacionados estrechamente, estos son: a) Componente técnico Consideran aquellos aspectos de topografía, ingeniería sanitaria e hidráulica necesarios para el diseño técnico del proyecto, por ejemplo: determinación del volumen del tanque de almacenamiento o los diámetros de tubería en las redes de distribución. Este componente se ve reflejado en libretas topográficas, planos, memorias de cálculo y memoria técnica del proyecto; será desarrollado considerando los criterios de diseño emitidos a través de la Norma NB-689 de Diseño de Sistemas de Agua Potable y sus Reglamentos. b) Componente social Considera los aspectos sociales, económicos, de salud y productivos de la población beneficiaria tanto antes como después de la implementación del proyecto. El componente social deberá lograr la organización de la comunidad beneficiaria en torno a una entidad que promueva inicialmente la construcción del sistema y; posteriormente, se encargue de la administración del servicio (podría ser una entidad diferente que la primera). Todos los aspectos referidos a la organización comunitaria antes, durante y después de la entrega del servicio, están detallados en la Guía de Desarrollo Comunitario del Viceministerio de Servicios Básicos. Puesto que la dotación de agua potable es en si un proyecto social (no comercial), los impactos que se logren deberán ser evidenciados en mejoras en la salud de los beneficiarios, mejora en la economía del lugar y mayor productividad. c) Componente ambiental En este componente se determina el impacto positivo o negativo del sistema de agua potable en el entorno ambiental. Normalmente, los aspectos ambientales se han considerado dentro del componente técnico, sin embargo, es conveniente que la parte ambiental sea realizada y diseñada con un enfoque independiente del responsable del diseño técnico. Este principio permitiría un análisis imparcial sobre la afección o no del medio ambiente y posibilitar las posibles medidas ambientales. Los aspectos ambientales necesarios para la elaboración de un proyecto de agua potable, están enmarcados dentro del Reglamento de Prevención y Control Ambiental y el Reglamento de Contaminación Hídrica de la Ley de Medio Ambiente. d) Interrelación entre componentes La implementación de un proyecto de saneamiento básico debe necesariamente lograr la interrelación entre los componentes señalados con objeto de lograr la sostenibilidad del servicio. El presente documento, desarrolla de forma particular los criterios y requerimientos para el diseño técnico de los proyectos de agua potable para

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poblaciones menores a 10.000 habitantes. Los componentes socialorganizativo y ambiental; PODRÁN ser desarrollados siguiendo los criterios expuestos en la Guía de Desarrollo Comunitario del Viceministerio de Servicios Básicos y la adecuación/tramitación de los procedimientos descritos en el Reglamento General de Gestión Ambiental de la Ley de Medio Ambiente; respectivamente.

2.1.3 Principios para el Diseño de un Proyecto de Agua Potable Para el diseño de un sistema de agua potable para poblaciones menores a 10.000 habitnates, deben tomarse en cuenta los siguientes aspectos: a) Universalidad: Consiste en desarrollar el proyecto de agua potable con el objetivo de dotar a toda la población en su conjunto y considerando los crecimientos demográficos futuros. No podrá dejarse sin servicio a parte de la comunidad. En caso necesario podrán aplicarse soluciones técnicas alternativas para viviendas aisladas o sectores de la comunidad con características especiales. b) Equidad: Se entiende como tal al hecho de que toda la población de la comunidad debe tener un trato ecuánime a momento de realizar el diseño; es decir, por ninguna razón deberá discriminarse o disminuirse las posibilidades de obtener el servicio de agua potable por cada familia de la comunidad. c) Selección de la mejor opción técnica: consiste en la identificación por parte de la comunidad de la mejor solución tecnológica para sus necesidades de agua potable y que responda a su capacidad de pago que garantice la sostenibilidad del servicio. d) Mejor costo/beneficio social: el proyecto y/o el financiador deberán apoyar dentro de la política financiera del sector, el mejor beneficio social a un costo razonable; es decir, que si bien a través de un proyecto de agua potable se busca el bienestar y mejores condiciones de salud de la población, es deseable que el monto de inversión permita: (i) lograr impacto en la comunidad con soluciones óptimas y; (ii) realizar una inversión moderada en la comunidad con el objeto de disponer de fondos en la cartera del proyecto o financiador para alcanzar mayor cobertura.

2.2

ESTUDIOS TÉCNICOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE PROYECTOS DE AGUA POTABLE Los estudios técnicos básicos para el diseño de sistemas de proyectos de agua potable están establecidos en la Norma Boliviana NB-689 y sus Reglamentos Técnicos. A continuación se detallan los estudios que deberán ser analizados en cada caso en particular y establecidos en los Términos de Referencia del proyecto. a) Descripción de la localidad y de la zona del proyecto. Es la descripción resumida de la situación geopolítica, administrativa, social y cultural de la localidad y su zona de influencia.

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b) Climatología Es la determinación de las condiciones atmosféricas que caracterizan a una región. Se debe obtener la temperatura (media, máxima media anual y mínima media anual), la precipitación media anual, la dirección de los vientos dominantes y su velocidad media. Los datos climatológicos pueden ser obtenidos en la Dirección Nacional de Hidrología y Meteorología y; en AASANA para cada localidad a nivel nacional. c) Geomorfología Consiste en la descripción resumida de la formación natural de la superficie terrestre. Se debe obtener la recopilación de estudios y mapas geomorfológicos existentes en el Instituto Geográfico Militar (IGM) y el Servicio Nacional de Geología y Minas (SERGEOMIN). Identificar las unidades y subunidades geomorfológicas. Litología, la identificación de zonas especiales (áreas inundables, erosionadas), la caracterización de la fisiografía y el paisaje. d) Topografía Es la medición de la superficie de la tierra utilizando la geodesia y representando con la cartografía. El levantamiento topográfico constituye la determinación de la morfología y accidentes del terreno en el lugar del proyecto, deberá ser realizada mediante el empleo de instrumentos de precisión como los teodolitos y estaciones totales. El empleo de eclímetro, brújula y/o huincha solamente podrá ser realizado para proyectos de bombas manuales y captaciones de vertientes con longitudes totales de tubería menor a 1.000 metros. e) Geología Estudia a la tierra para comprender el funcionamiento de los procesos terrestres en el tiempo, analiza su forma, la materia que lo configura y los procesos que actúan sobre el suelo. A objeto de tomar conocimiento de las características de suelos del sector, se debe realizar un reconocimiento geológico del lugar donde será emplazado el proyecto para poder determinar las posibles fallas geológicas, zonas de asentamientos y de deslizamientos. Se debe realizar en forma general, el reconocimiento geológico de la superficie, la recopilación de estudios geológicos existentes, la obtención de datos referentes a la profundidad media de aparición de rocas y afloramiento de las mismas y las características geológicas y geotécnicas del subsuelo. f)

Hidrogeología Es la parte de la geología que se ocupa del estudio de las aguas dulces, y en particular de las subterráneas, y de su aprovechamiento. Se debe realizar el reconocimiento hidrogeológico de la superficie, la recopilación

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de estudios hidrogeológicos existentes, las áreas de recarga. Cuando es posible, se deberá obtener antecedentes sobre la piezometría del agua subterránea, fluctuaciones estacionales, hidrodinámica, profundidad media de la napa freática. Zonas de recarga, almacenamiento y descarga. g) Geotecnia y Suelos Se refiere a la determinación de las condiciones de calidad y estabilidad de los suelos. Se realizarán a requerimiento del ingeniero encargado del proyecto, en dos etapas. La primera etapa de reconocimiento preliminar del sitio y la segunda de ejecución de investigaciones de campo y laboratorio, tomando en cuenta la ubicación y magnitud de las estructuras. Se realizará la identificación de tipos y distribución espacial de suelos, la susceptibilidad a la erosión, la permeabilidad de los suelos y el drenaje natural y artificial. h) Medio Ambiente Consiste en la determinación de las condiciones ambientales en el entorno del proyecto antes y después de la construcción del mismo. Para el efecto, inicialmente se deberá elaborar la Ficha Ambiental para la determinación de la Categoría Ambiental que establecerá que tipo de estudios deberán realizarse. Estos aspectos están establecidos en el Reglamento de Prevención y Control Ambiental de la Ley N° 1333 de Medio Ambiente. i)

Recursos hídricos Consiste en la determinación de las condiciones, capacidad y disponibilidad de los recursos hídricos de la zona de proyecto. Es aconsejable conocer el Reglamento de Contaminación Hídrica de la Ley N° 1333 de Medio Ambiente.  Evaluación de las posibles fuentes de agua La evaluación de las fuentes de agua, comprende la determinación de los posibles puntos de captación, cantidad y calidad del agua, estado legal de la fuente y la localización de las mismas respecto a la población.  Evaluación de la cuenca Complementariamente a la evaluación de las fuentes de agua, se debe evaluar la cuenca o cuencas donde están localizadas las posibles fuentes de agua. Esta evaluación comprende la determinación aproximada de los recursos hídricos existentes en la cuenca, la continuidad del recurso en el tiempo, puntos de contaminación y otros proyectos en ejecución.

j) Descripción de la infraestructura existente Si el proyecto se desarrollara en una población con un sistema de abastecimiento existente, debe realizarse la evaluación y descripción real de las condiciones GUÍA TECNICA DE DISEÑO DE PROYECTOS DE AGUA POTABLE PARA POBLACIONES MENORES A 10.000 HABITANTES

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técnicas, comerciales y administrativas de los servicios existentes. Se debe

prever la verificación de: 

La calidad del agua para consumo humano, ya sea de perforaciones de pozos o de planta de tratamiento.



Planos de la red de agua potable con ubicación planialtimétrica de las tuberías acotadas respecto a la línea municipal. Planos y ubicación de la planta de tratamiento y de las instalaciones complementarias, estaciones de bombeo, etc. Planos de población actual y futura. Capacidades actuales de las fuentes, planta de tratamiento y conducciones.



La dotación actual y su evolución histórica. Hábitos del uso del agua que presenta la población (riego de cultivos y jardines, otros consumos de agua en actividades externas a las viviendas, etc.). Consumos comerciales e industriales.



Existencia de micromedidores. Sistema de tarifas y su incidencia en la evolución de la dotación.



Verificar y analizar la existencia de macromedición para los caudales de producción y distribución.



La evolución del número de conexiones y de la población servida en los últimos años. Comparación con la población total.



Los costos de explotación del servicio de agua.



La forma de abastecimiento de la población que no cuenta con conexión al servicio público. Número de pobladores sin conexión al sistema de agua existente.



La evolución de la recaudación a cargo del ente que presta el servicio. Índice de morosidad.



Características del organismo que presta el servicio de abastecimiento de agua.



Los aspectos operativos:

-

Catastro de instalaciones y redes de agua. Macromedición y micromedición. Detección y reparación de fugas.

2.3. ESTUDIOS SOCIOECONÓMICOS PARA EL DISEÑO DE PROYECTOS DE AGUA POTABLE En el diseño de sistemas de agua potable deberán realizarse estudios socioeconómicos que permitan conocer las características sociales, económicas, culturales, salud y de género de la población beneficiaria. Los estudios socioeconómicos pueden ser divididos en los siguientes subcomponentes:

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a) Características socioeconómicas 

Población actual y evolución demográfica histórica según los diferentes censos nacionales, así como también apreciaciones demográficas municipales.



Población de verano, turística, temporal, rotación de la población turística en su festividad.



Ubicación e importancia de los establecimientos industriales, comerciales y oficinas públicas, cantidad de trabajadores y sueldos promedio.



Tipos de producciones de la zona periférica de los sectores comprendidos en el proyecto, especialmente las actividades agrícola, hortícola y ganadera.



Información sobre establecimientos educacionales. Cantidad de alumnos que asisten a los establecimientos de enseñanza, sexo y edades de los mismos.



Información sobre las actividades económicas actuales y su evolución en la localidad y en la región.



Análisis detallado de los ingresos familiares mensuales, la capacidad y voluntad de pago de los beneficiarios del proyecto.



Informaciones sobre la recaudación de impuestos, tasas y tarifas en el área de influencia del proyecto.

b) Comunicaciones y vías de acceso 

Accesibilidad desde las ciudades y lugares más importantes del Departamento y los medios de transporte locales e interurbanos existentes, tanto de pasajeros como de correspondencia y cargas.



Tipos de vías de comunicación.

c) Disponibilidad de mano de obra 

Disponibilidad de mano de obra calificada y no calificada para ejecución de obras civiles.



Existencia de empresas constructoras y contratistas locales y regionales.

d) Disponibilidad de materiales de construcción 

Disponibilidad de materiales de construcción en la región que puedan ser empleados en la ejecución del proyecto (insumos, agregados, otros materiales).

e) Organización comunitaria 

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Se debe verificar la existencia de organizaciones locales al margen del municipio y subprefecturas, tales como: comités de trabajos, Organizaciones Territoriales de Base (OTBs), Comité Cívico, Juntas de Vecinos, etc.

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f)

Identificación de los hábitos y costumbres sobre el manejo del agua e higiene. 

Se deberán identificar los hábitos y costumbres en el uso y consumo, obtención, transporte y almacenamiento de agua; asimismo, sobre la disposición de excretas y residuos sólidos.

g) Evaluación de la salud con relación al agua 

Se identificarán los problemas de salud de la población originados por el consumo de agua contaminada, la información se obtendrá en los establecimientos de salud. Las enfermedades más comunes y prevalentes, como ser: gastrointestinales, cólera, enfermedades de la piel y hongos.

h) Análisis de género 

Constituye un criterio transversal a todo estudio socioeconómico para sistemas de agua potable; se identificará la participación de varones y mujeres mayores de 15 años en cada uno de los aspectos señalados anteriormente y su nivel de decisión.

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CAPITULO 3 - PARÁMETROS BÁSICOS DE DISEÑO Los parámetros básicos de diseño deben ser establecidos considerando el área del proyecto y el período de vida útil del proyecto. Los parámetros y fórmulas básicas expuestas en el presente documento, se hallan inextenso en los Capítulos 2 y 4 de la Norma Boliviana NB-689 y en el Reglamento Técnico de Estudios y Parámetros Básicos de Diseño para Sistemas de Agua Potable. Entre los parámetros básicos de diseño se deben considerar:

- Población del proyecto. - Consumo de agua. - Caudales de diseño. - Período de diseño. - Calidad del agua. 3.1

POBLACIÓN DEL PROYECTO Es el número de habitantes que ha de ser servido por el proyecto para el período de diseño, el cual se establece con base en la población inicial. Para la estimación de la población de proyecto se deben considerar los siguientes aspectos: a) Población inicial, es el número de habitantes dentro el área de proyecto que debe ser determinado mediante un censo poblacional y/o estudio socio-económico. Se aplicarán los datos estadísticos del Instituto Nacional de Estadística (INE) para determinar la población de referencia o actual y los índices de crecimiento demográfico respectivos. Para poblaciones menores a 10.000 habitantes, en caso de no contar con índice de crecimiento poblacional, se debe adoptar el índice de crecimiento de la población capital o del municipio. Si el índice de crecimiento fuera negativo se debe adoptar como mínimo un índice de crecimiento de 1%. Es muy conveniente realizar un Censo en la población beneficiaria sobre todo en las comunidades menores donde es factible realizar dicha actividad. b) Población futura, es el número de habitantes dentro el área del proyecto que debe ser estimado en base a la población inicial y el índice de crecimiento poblacional, para el período de diseño. c) La población calculada debe ser ajustada considerando:  

Población flotante, se refiere a la población ocasional que signifique un aumento notable y distinto a la población estable. Población migratoria, que depende de las condiciones de planificación sectorial en relación con los recursos naturales, humanos y/o económicos de cada localidad.

19

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3.1.1 Métodos de cálculo Para el cálculo de la población futura se pueden utilizar uno de los siguientes métodos de crecimiento, según el tipo de población, dependiendo de las características socio-económicas de la población: i t P = Po * ( 1 + ) f 100

a) Geométrico:

i*t ( ) Pf = Po * e 100

b) Exponencial:

L P= ________________ f a*t 1+m*e

c) Curva logística: Donde:

Pf Población futura en hab. Po Población inicial en hab. i Índice de crecimiento poblacional anual en porcentaje t Número de años de estudio o período de diseño L Valor de saturación de la población 2* * 2 * P0 * P 1 P2 P1 L (P + P 02

)

P0 * P2 P1

2

m, a Coeficientes m=

L P0

⎡ P0 * P 0 (L − P ) ⎤ a= ln ⎢ t1 ⎣ P * 1 ( )⎥ L−P0j ⎢ 1

P0, P1, P2 t 0, t 1, t 2

1

⎥

Población correspondiente a los tiempos t0, t1 y t2 = 2*t1 Tiempo intercensal en años correspondiente a la población P0, P1, P2

3.1.2 Aplicación de métodos según el tamaño de población Los métodos a emplearse deben ser aplicados en función del tamaño de la población, de acuerdo a lo especificado en la Tabla 3.1. Tabla 3.1: Aplicación de métodos de cálculo para la estimación de la población futura en poblaciones menores a 10 000 habitantes

20

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Población (habitantes) Hasta 5 000 De 5 001 a 10 000 x x x (1) x (1) --x (2)

Método

Geométrico Exponencial Curva logística (x) Optativo (1) Recomendable (2) Sujeto a justificación Fuente: Norma NB-689, Diseño de Sistemas de Agua Potable.

El proyectista, podrá de acuerdo a las condiciones particulares de la localidad, adoptar uno de los métodos recomendados o usar otro criterio, siempre que lo

Ejemplo de Aplicación Considérese la población “A” con 5100 habitantes para el año 2005, la misma está ubicada en la región de los valles. Según el INE la tasa de crecimiento exponencial es de 2,4%. Estime la población futura mediante el método exponencial para 10 y 20 años de proyección. Por tanto:

Po = 5.100 hab. i = 2,4% t1 = 10 años t2 = 20 años

P f10  5100 * e Entonces:

2,4 * 20   

2 ,4 * 1 0    100

;

P f20

5100* e

100

Pf10 = 6.483 hab. Pf20 = 8.242 hab.

justifique técnicamente. 3.2

CONSUMO DE AGUA La dotación mínima a adoptarse debe ser suficiente para satisfacer los requerimientos de consumo: doméstico, comercial, industrial, social y público, así como considerar las pérdidas en la red de distribución. Doméstico o residencial: A esta categoría pertenecen aquellos suscriptores que utilizan el servicio exclusivamente para uso doméstico en la vivienda. Social: A esta categoría pertenecen aquellos predios utilizados para tareas de educación y salud (escuelas, colegios, puestos de salud), exclusivamente. Oficial: Esta categoría comprende instancias y áreas públicas no comprendidas para educación y salud, como son: jardines, parques, cuarteles, entidades del gobierno y otros. Comercial: es la categoría a la cual pertenecen los suscriptores que utilizan el agua con fines de lucro dentro de alguna actividad comercial (restaurantes, lavado de vehículos, etc.). 21

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Industrial: Es la categoría a la cual pertenecen aquellos suscriptores que utilizan el agua para fines de lucro y en los que se lleva procesos industriales utilizándose el agua como insumo en el proceso de transformación (fábricas de vinos, chicherías, etc.). 3.2.1 Dotación media diaria La dotación media diaria se refiere al consumo anual total previsto en un centro poblado dividido por la población abastecida y el número de días del año. Es el volumen equivalente de agua utilizado por una persona en un día. Para el caso de sistemas nuevos de agua potable, con conexiones domiciliarias, la dotación media diaria puede ser obtenida sobre la base de la población y la zona geográfica dada, según lo especificado en la Tabla 3.2. Tabla 3.2: Dotación media diaria (l/hab-d) para poblaciones menores a 10.000 habitantes Zona

Población (habitantes) De 501 a De 2 001 a 2 000 5 000 Del altiplano 30 – 50 30 – 70 50 - 80 De los Valles 50 – 70 50 - 90 70 - 100 De los Llanos 70 – 90 70 - 110 90 - 120 Notas: (1) (1) Justificar a través de un estudio social (2) Justificar a través de un estudio socio-económico Fuente: Norma NB-689, Diseño de Sistemas de Agua Potable. Hasta 500

De 5 001 a 10 000 80 - 100 100 - 140 120 - 180 (2)

Para sistemas nuevos de agua potable, en zonas rurales, donde la disponibilidad de agua no llegue a cubrir la demanda de la población (consumo restringido) se debe calcular la dotación en base al caudal mínimo de la fuente y la población futura. En caso de establecer una dotación menor a 30 l/hab-d, se deben considerar solamente piletas públicas. Ejemplo de Aplicación Para la población “A” con 5100 habitantes para el año 2005 y ubicada en la zona de los Valles determinar la dotación media diaria para el abastecimiento de agua potable.

22

Por tanto:

De la Tabla 3.2 se obtiene la dotación media diaria para el año base (año 0 del proyecto) que está en el rango de 100 a 140 l/habd.

Entonces:

Por las características de la zona, se adopta una dotación media diaria de 100 l/hab-d.

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3.2.2 Dotación futura de agua La dotación futura se debe estimar con un incremento anual del 0,50% y el 1% de la dotación media diaria, aplicando la fórmula del método geométrico:

⎡

=Do*1+

D

d1

t

⎢ ⎣ 100 ⎥ j

f Donde:

Df Do d t

Dotación futura en l/hab-d Dotación inicial en l/hab-d Variación anual de la dotación en porcentaje Número de años de estudio en años

Ejemplo de Aplicación Para la población “A” con 5100 habitantes para el año 2005 y ubicada en la zona de los Valles, determinar la Dotación Futura para un horizonte del proyecto a 20 años plazo. La dotación inicial establecida es de 100 l/hab-d y se estima una variación del consumo del 0,5% anual. Por tanto:

Do = 100 l/h/d d = 0,5% t = 20

⎡ 0.5 1 20 D = 100 * 1 + f ⎢ ⎣ 100⎥ j Entonces:

110,50 l/hab-d para la población futura a 20 años

3.2.3 Dotación para otro tipo de usos Cuando en la población se emplea el agua con una finalidad diferente al uso doméstico, como por ejemplo industrias, establecimientos de educación con número alto de alumnado, cuarteles o población flotante importante; deberá considerarse una dotación particular para esos fines con el objetivo de no afectar la dotación de tipo doméstico. Para estimar estos volúmenes podrá emplearse el Reglamento de Instalaciones Domiciliarias vigente o bibliografía especializada para dotación a centros educativos, cuarteles, áreas verdes y otros.

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3.3 CAUDALES DE DISEÑO Los caudales de diseño que se deben considerar son los siguientes: 3.3.1 Caudal medio diario Es el consumo diario de una población, obtenido en un año de registros. Se determina con base en la población del proyecto y dotación, de acuerdo a la siguiente expresión:

Qmd = Donde:

P* Df f 86400

Q md Caudal medio diario en l/s Pf Población futura en hab. Df Dotación futura en l/hab-d

3.3.2 Caudal máximo diario Es la demanda máxima que se presenta en un día del año, es decir representa el día de mayor consumo del año. Se determina multiplicando el caudal medio diario y el coeficiente k 1 que varía según las características de la población. Q

= k *Q md máx.d 1

Donde: Qmáx.d Caudal máximo diario en l/s k1 Coeficiente de caudal máximo diario k1 = 1,20 a 1,50 (véase NB-689 y Arocha) Qmd Caudal medio diario en l/s 3.3.3 Caudal máximo horario Es la demanda máxima que se presenta en una hora durante un año completo. Se determina multiplicando el caudal máximo diario y el coeficiente k2 que varía, según el número de habitantes, de 1,5 a 2,2, tal como se presenta en la Tabla 3.3. Q

máx.h Donde:

=

k*Q 2 máx.d

Qmax.h Caudal máximo horario en l/s k2 Coeficiente de caudal máximo horario Qmáx.d Caudal máximo diario en l/s Tabla 3.3: Valores del Coeficiente k2

Población (habitantes) Hasta 2 000 De 2 001 a 10 000 Fuente: NB-689, véase Azevedo Netto

24

Coeficiente k2 2,20 – 2,00 2,00 – 1,80

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Ejemplo de Aplicación En la Población “A” se ha previsto la construcción de un sistema de agua potable. Determinar los caudales medio diario, máximo diario y máximo horario considerando los datos de los anteriores ejemplos. Por tanto:

Q = md

8242 * 110,5 ; 86 400

Entonces:

3.4

Pf = 8.242 hab. Df = 110,5 l/hab-d. k1= 1,4 y k2 = 2,0 (valores adoptados) Q = 1,4 *1 0,54 ; máx.d

Q

=

máx.h

2 * 14.76

Qmd = 10,54 l/s Qmax.d = 14,76 l/s Qmax.h = 29,51 l/s

PERÍODO DE DISEÑO El período de diseño es el número de años durante los cuales una obra determinada prestará con eficiencia el servicio para el cual fue diseñada. Debe ser adoptado en función del componente del sistema, la característica de la población y las posibilidades de financiamiento, según lo indicado en la Tabla 3.4. Tabla 3.4. Período de diseño (años) Componente del sistema

Población menor a 10 000 habitantes

Obra de captación 10 – 20 Aducción 20 Pozos profundos 10 Estaciones de bombeo 20 Plantas de tratamiento 15 - 20 Tanques de almacenamiento 20 Redes de distribución 20 Equipamiento - Equipos eléctricos 5 - 10 - Equipos de combustión interna 5 Fuente: Norma NB-689, Diseño de Sistemas de Agua Potable.

3.5

CALIDAD DEL AGUA Es la determinación de la concentración de los compuestos físicos, químicos y biológicos del agua natural y/o del agua tratada para el abastecimiento de agua potable.

25

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3.5.1 Calidad del agua natural para la selección de la fuente de abastecimiento La calidad del agua depende del tipo de fuente y debe ser caracterizada a través del tiempo para definir los parámetros a tratarse. La calidad del agua debe ser establecida mediante la determinación de parámetros físicos, químicos y biológicos; para el efecto, refiérase a los Anexos de la Ley Nº 1333 de Medio Ambiente y al Capítulo 4 de la Norma Boliviana NB – 689 y sus anexos. En el Anexo 1 de este documento se presentan los “Análisis Básicos Recomendables para la Caracterización de las Fuentes de Agua destinadas a Consumo Humano en Poblaciones Menores a 10 000 Habitantes”.

3.5.2 Calidad del agua para consumo humano La calidad del agua para consumo humano está determinada por valores “máximos” y “aceptables” para diferentes parámetros físicos, químicos y biológicos establecidos en la Norma Boliviana NB – 512: Agua Potable – Requisitos y sus reglamentos. En el Anexo 2 de este documento, se especifican los valores máximos aceptables de los parámetros físico – químicos y biológicos establecidos en la Norma Boliviana NB - 512.

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CAPITULO 4 – CAPTACIÓN DE AGUA SUPERFICIAL 4.1 DEFINICIÓN Una captación de agua superficial, es la estructura civil, dispositivo o conjunto de ellas que permita captar agua desde un cuerpo superficial de forma continua, segura y sin disminución de las condiciones de vida de las especies animal ni vegetal.

4.2

FUENTES DE AGUA SUPERFICIAL Entre los tipos de fuentes de aguas superficiales se consideran: a) Cursos de agua natural (ríos, riachuelos, arroyos, quebradas) Son cuerpos de agua que fluyen permanente o intermitentemente a través de depresiones geomorfológicas naturales y pueden ser: 

Cursos de agua de montaña, que se caracterizan por tener pendientes pronunciadas, arrastre intenso de sólidos en forma temporal, tirante bajo y altas velocidades.



Cursos de agua de llanura, que se caracterizan por tener, pendientes bajas, tirante alto y bajas velocidades

b) Reservorios de agua (lagos, lagunas, embalses) Son depresiones geomorfológicas naturales que permiten la acumulación de agua con los aportes de afluentes y/o precipitaciones pluviales y pueden ser:

4.3



Reservorios de montaña, que se caracterizan en general por tener áreas de aporte limitadas, deshielos y aguas con bajo contenido de agentes contaminantes.



Reservorios de llanura, que se caracterizan por tener áreas de aporte mayores a los de montaña.

DISEÑO DE OBRAS DE CAPTACIÓN DE AGUAS SUPERFICIALES Son estructuras y dispositivos que permiten captar agua desde un curso superficial. Los criterios, parámetros y fórmulas para el diseño se encuentran expuestos en el Capítulo 5 de la Norma Boliviana NB-689 y en el Capítulo 2 del Reglamento Técnico de Diseño de Obras de Captación para Sistemas de Agua Potable. Las obras de captación superficiales son: 4.3.1 Canal de derivación Consiste en la construcción de un canal abierto en el margen de un cuerpo de agua superficial hasta una cámara colectora, desarenador o planta de tratamiento. Véase Figura 4.1. Los componentes principales para el diseño del canal de derivación son:

27

a) Canal: el dimensionamiento deberá realizarse con la fórmulas de diseño de canales expuesta en capítulo siguientes, en forma general se puede expresar como:

Donde:

Qmax.d A c= V

Ac = Área efectiva del flujo del agua en m2 Qmax-d = Caudal máximo día en l/s V= Velocidad de flujo en m/s (dependerá de la pendiente del terreno y otros factores)

Ejemplo de Aplicación En la Población “A” se ha previsto la construcción de un sistema de agua potable mediante la captación de agua de un río a través de un canal de derivación. Calcular las dimensiones de un canal rectangular si el caudal máximo diario es de 19,54 l/s. Asumir un canal rectangular con relación base = 2,5*altura Datos:

Q = 19,54 l/s = 0,01954 m3/s V= 0,4 m/s (asumido, dependerá de la pendiente y otros

factores)

b = 2,5*h (relación de lados del área húmeda)

A= c

0.01954 = 0,049m2 0.4

A = b * h = 2,5 * 2h ; entonces: Por tanto:

h=

0,049 =0,14m 2,5

Ac = 0,049 m2; h = 0,14 m y b = 0,35 m

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Deflector

Estructura de H°. C°. u H°.A°.

Rejas

Compuerta de regulación

Vista en planta Estructura de H°C° ú H°A° Nivel max.

Reja

Nivel min.

Sección A-A Figura 4.1: Canal de Derivación

29

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b) Boca de toma: cuya sección efectiva se determina en función del caudal máximo diario, el diseño de la reja de protección y a los niveles de fluctuación del curso de agua. La boca toma debe estar sumergida para captar al menos el Caudal Máximo Horario para el nivel mínimo del curso o cuerpo de agua. La regulación de entrada se realizará a través de una compuerta. Véase el diseño de rejas en la siguiente sección. c) Obras de encause y protección: dependiendo de las características morfológicas del lugar de toma, deberán construirse ataguías y muros de protección y/o encause. Estos aspectos deben ser determinados por el responsable del proyecto con conocimiento pleno del sector de captación.

4.3.2 Obra de captación lateral Es la estructura que se construye en uno de los lados del curso de agua, de forma tal, que el agua ingresa directamente a una cámara de recolección para su posterior conducción a través de una tubería o canal. Véase Figura 4.2 y PL-AP-05-01. Los componentes principales para el diseño de una captación lateral son: a) Boca de toma: cuya sección efectiva se determina en función del caudal medio diario, el diseño de la reja de protección y a los niveles de fluctuación del curso de agua. El dimensionamiento de la boca de toma se realizará de la misma forma que la señalada para canales de derivación. b) Canales/tuberías de conducción: debe ser calculada en función al caudal máximo diario, para el diseño refiérase al capítulo de aducciones. c) Obras de encause y protección: dependiendo de las características morfológicas del lugar de toma, deberán construirse ataguías y muros de protección y/o encause. Estos aspectos deben ser determinados por el responsable del proyecto con conocimiento pleno del sector de captación.

30

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Deflector Terreno duro o rocoso

Estructura de H°C° ú H°A° Reja Tubería de aducción A

A 2%

Salida Válvula de limpieza

Desfogue

Cámara de válvula

Vertedero Creager Tubería de limpieza >3"

Planta Volante de compuerta

Nivel max.

Puente de maniobra Estructura de H°C° ú H°A°

Reja Tubería de aducción

Nivel min.

> 0,50 m Tubería de limpieza >3"

Sección A-A Figura 4.2: Obra de toma lateral

31

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d) Boca de toma: cuya sección efectiva se determina en función del caudal máximo diario, el diseño de la reja de protección y a los niveles de fluctuación del curso de agua. El área total de la reja debe ser calculada considerando el área de flujo efectiva mínima de paso y el área total de las barras, como se muestra a continuación: A=As+A t f Donde:

At As

Sección de la boca de toma en m2 Sección total de las barras en m2 A s = n *s* l

n s l

Número de barras Espesor de la barra en m; véase Figura 4.3 Longitud de la barra en m

As

l Af l

α

a

s Figura 4.3: Detalles de las rejas Af Af=

Sección de flujo en m2 c* * v Q

ξ

a c Q va ξ

Coeficiente de mayoración por efectos de colmatación c = 1,5 – 2,0 Caudal de diseño en m3/s velocidad de aproximación en m/s va = 0,60 m/s a 1,00 m/s Pérdida de carga y/o sección de Kirshnner

ξ

sϕ * ⎛ ⎞ ⎜ ⎝a⎠ 32

4 3

i * sen α

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Sección transversal de las rejillas

0

φ

O rectangular

2,42

О circular

1,79 1,67

parabólico

Fuente: Regulación de Ríos, Hans Bretschweider

ϕ s a α

Coeficiente de forma Espesor de la barra en m Espacio entre barra y barra en m Ángulo de inclinación de la rejilla en º

Af, para boca toma rectangular se expresa:

Af = l * a * ( n + 1) n a l

Número de barras Espacio entre barra y barra en m Longitud de la barra en m

33

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Ejemplo de Aplicación En la Población “B” se ha previsto la construcción de un sistema de agua potable mediante la captación de agua de un río a través de una presa derivadora y obra de toma lateral. Calcular las dimensiones de la boca toma y dimensionar las rejas de protección para un caudal máximo diario de 19,54 l/s. Supuestos: La boca de toma tendrá forma rectangular con altura inicial de 0,3 m Las rejas se realizarán con barrotes circulares de 1/2”. Espacio entre barrotes 0,03 m. Q= 19,54 l/s = 0,01954 m3/s V a = 0,60 m/s c= 1,5 = 1,79 a= 0,03 m s= 0,012 m l= 0,3 m = 90º

Datos:

Paso 1: cálculo de Af Determinación de ξ 4

4

s 3 0.012 3 *sen(90º)= 0.527 ξ *  * senα 1.79 *  a 0.03  1,5 * 0,01954 A  0,527 * 0,60 f

0 .0927

Paso 2: determinación de n

Afl * a * (n 1) ; por tanto: n A f ;1será l*a Entonces se adopta n = 10 barras

34

0,0927 n  1 9,30 0,30*0,03

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Ejemplo de Aplicación (continuación)

Paso 3: Cálculo As As

1 0 *0,012*0,30 0 .036

Paso 4: Cálculo de At At = Af + As = 0,0927 + 0,30 = 0,1287 m2

Se obtiene: Af = 0,0927 m2 As = 0,036 m2 At = 0,1287 m2 Si alto h = 0,30 m Ÿ base b = 0,43 m 0,43

0,30

0,03

0,012

35

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4.3.3 Obra de captación de fondo Es la obra civil (dique) que se construye de forma transversal en el fondo de los ríos y dispone de una parrilla o reja localizada a nivel del perfil del río o la cresta del vertedero. Véase Figura 4.4. Los componentes principales para el diseño de una captación de fondo son: a) Presa: para la contención del agua y para forzar que la misma pase por la boca de toma. Para garantizar la estabilidad, la presa se calculará para el peso propio, empuje hidrostático, empuje de suelos, subpresión y fuerza tangencial, en todo el radio hidráulico. La cresta de la presa debe diseñarse para dejar pasar el volumen de agua en crecidas, para el efecto debe diseñarse tomando en cuenta el Perfil Creager para evitar daño en la estructura y azolvamiento aguas abajo. Véase las Figuras 4.5 y PL-AP05-01. Para determinar el perfil Creager, en la Tabla 4.1 se presenta las coordenadas experimentales “x” e “y” de un vertedero para un tirante de H = 1 m. Para otros tirantes (H), éstos deben multiplicarse por los valores especificados en la Tabla 4.1. Tabla 4.1: Valores de un vertedero de Perfil Creager para H = 1 m Coordenadas “x” e “y” (m) Y X 0,00 0,126 1,20 0,10 0,036 1,40 0,20 0,007 1,70 0,30 0,000 2,00 0,40 0,007 2,50 0,060 3,00 0,60 0,80 0,142 3,50 1,00 0,257 Fuente: Manual de Hidráulica, Azevedo Netto – Acosta Guillermo X

Y 0,397 0,565 0,870 1,220 1,960 2,820 3,820

Para condiciones ideales puede calcularse H mediante la siguiente formula: 2

Donde:

⎛ Q 3 H⎞ ⎟ ≅⎜ ⎝2 , 2 * L⎠

H = Tirante sobre el vertedero en m Q= Caudal máximo esperado en m3/s L= Longitud de rebose o excedencia m

b) Boca de toma: cuya sección efectiva se determina en función del caudal medio diario, el diseño de la reja de protección y las posibles obstrucciones por material de arrastre del curso de agua. El dimensionamiento de la boca de toma se realizará de la misma forma que la señalada para canales de derivación.

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Reja toma de fondo

Deflector Tubería

Vertedero de crecida de H° C°. u H° A°.

Cámara de limpieza

Al desarenador pendiente > 2%

Vertedero de rebose

Planta

Vertedero de crecida

Camara de limpieza

Vertedero de rebose Reja Tubería

>0.3 m

Cámara de captación

>0.05m

Al desarenador pendiente > 2%

Sección A-A Figura 4.4: Obra de toma de fondo

37

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Nivel max.

H

x Estructura de Ho. Co.

Colchón hidráulico Dentellón Fondo del río

y

L

Variable

Dentellón

Elevación lateral Perspectiva

Figura 4.5: Perfil Creager en presa de derivación

38

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c) Canales/tuberías de conducción: debe ser calculada en función al caudal medio diario, para el diseño refiérase al capítulo de aducciones.

Ejemplo de Aplicación En la Población “B” se ha previsto la construcción de un sistema de agua potable mediante la captación de agua de un río a través de una presa derivadora calcular la curva del perfil Creager si el caudal máximo esperado del río es 8,5 m3/s y se ha diseñado un ancho del vertedero de 8 m y una altura sobre el fondo del río de 2,5 m. Datos:

H

⎛ ⎞ ≅⎜

Q = 8,5 m3/s L = 8 m y= 2,5 m 2 3

8,5 ⎟

⎝2,2*8

⎠ Entonces:

H = 0,616 m

Multiplicando por los valores de la Tabla 4.1, se obtiene el siguiente perfil. x 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,7 2 2,5 3 3,5

y (H=1m) y (H=0,616 m) 0,126 0,078 0,036 0,022 0,007 0,004 0 0,000 0,007 0,004 0,06 0,037 0,142 0,087 0,257 0,158 0,397 0,245 0,565 0,348 0,87 0,536 1,22 0,752 1,96 1,207 2,82 1,737 3,82 2,353

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4.3.4 Estaciones de bombeo directo Son estructuras, equipamientos y accesorios de bombeo para la explotación directa desde el cuerpo de agua superficial. Podrán emplearse bombas centrífugas y bombas sumergibles. En las Figuras 4.6 y PL-AP-06-01 se presenta un ejemplo con bomba centrífuga y en las Figuras 4.7 y PL-AP-0602 se presenta un esquema para una bomba sumergible. Los componentes principales para el diseño de una estación de bombeo directo son: a) Bomba: debe determinarse el tipo y potencia de la bomba en función del caudal que se quiere captar, la calidad el agua y la altura total manométrica de bombeo. Refiérase al capitulo de aducciones para mayor información de diseño. b) Fuente de energía eléctrica: podrá emplearse energía eléctrica del tendido urbano o a través de un generador estacionario. Este equipo debe tener características compatibles o superiores a los requerimientos de energía de la bomba. Debe ser determinado con apoyo de técnicos especializados y/o profesionales electromecánicos. c) Caseta: La caseta de protección se construirá para proteger la bomba y/o el generador estacionario. El tipo de caseta deberá determinarse para cada caso, pues bien podrá ser flotante o convencional (en la superficie de la tierra). Deberá considerarse principalmente los criterios de seguridad y ventilación para su diseño.

4.3.5 Lechos filtrantes o Prefiltración Constituida por uno o más tuberías perforadas (drenes o filtros) introducidos transversal o diagonalmente en el lecho del río y recubiertas con material granular clasificado. El agua se filtra a través del material clasificado hasta el drene, para luego ser conducida mediante tubería hasta la cámara recolectora lateral en el margen del río. Véase Figuras 4.8 y PL-AP-05-02. Para su diseño deben considerarse los siguientes aspectos importantes: a) Calidad del agua: para desarrollar la prefiltración es importante que la turbidez no sea mayor a 150 UNT en períodos de lluvia. b) Material filtrante: Es la selección de material clasificado de diferente granulometría para la filtración del agua del curso natural. El material seleccionado podrá variar entre 6 a 40 mm y deberán ser colocados en capas de 0,20 a 0,40 m. El tamaño mayor irá en contacto con al tuberíafiltro y gradualmente disminuirá el tamaño hasta la profundidad de socavación. Finalmente se recubrirá con material del lecho del río.

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Caseta de bombeo Bomba Anclajes

Tubería flexible

Nivel máx. Nivel mín.

Altura de succión

Tubería de impulsión

Válvula de pie con colador

Figura 4.6: Estación de bombeo directo Cubierta

Panel deControl eléctrico Tuberia de impulsión

Al tanque ó planta de tratamiento

N.T.

N.A.

Puerta metálica

Reja de protección

Bomba sumergible

Armazón protector

Base de hormigón

Figura 4.7: Captación con Bomba Sumergible

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Vertedero Capa natural del río

Flujo

Estructura de H°. C°. u H°.A°.

Tubería perforada Pte. 2%

Capa de grava gruesa Arena fina Capa de grava fina

Cámaras de limpieza

Capa natural del río

Cámara de Vertedero vávulas

Empedrado

Limpieza Ø >3"

Al desarenador ó tratamiento

Planta Estructura de H°. C°. u H°.A°. Vertedero

Material de río Capa grava fina Capa grava gruesa Arena fina

Cámara de Limpieza Tubería perforadas Pte. 2%

Corte A-A Figura 4.8: Lecho filtrante o prefiltración

42

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c) Tubería-filtro: el tipo, longitud y diámetro de la tubería-filtro se determinará por la calidad del agua natural y la cantidad de agua necesaria a ser captada. Regularmente se emplea la tubería de PVC la cual es muy estable ante cualquier tipo de agua. Los criterios básicos de diseño son los siguientes: La longitud de la tubería – filtro debe calcularse como se señala a continuación. L=

2*Q Af * v

Donde:

Longitud total de la tubería – filtro en m Caudal de diseño en m3/s velocidad del agua a través de los orificios en m/s v = 0,10 m/s a 0,15 m/s para evitar arrastre de partículas. Véase Figura 4.9. Área efectiva de los orificios o ranuras por metro lineal en m2/m para el diámetro adoptado (también denominada área específica – dependerá del fabricante o de la cantidad de ranuras u orificios que se hagan en las tuberías – filtro).

L Q v Af

d

L º º r

º º

>0,05m

º º V

º

D

Figura 4.9: Detalle tubería filtro

43

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Ejemplo de Aplicación En la Población “C” se ha previsto la captación de agua mediante presa y lechos de infiltración en el río. El Caudal máximo a captarse es de 20 l/s. Determinar la longitud total de infiltración y la disposición de tuberías-filtro de PVC de φ 4”. Supuestos: Se prevé el empleo de tubería de PVC con orificios de 1 cm en la cara superior. Área específica 0,011 m2/m. Q = 20 l/s = 0,02 m3/s V= 0,15 m/s Af = 0,011 m2/m

Datos:

L=

2* 0.02 0.011 * 0.15

Entonces:

L = 24,3 m El lecho puede componerse de las siguientes formas dependiendo de las condiciones topográficas e hidráulicas del lugar:   

44

2 tuberías – filtro de 12m en paralelo 3 tuberías – filtro de 8 m en paralelo 4 tuberías – filtro de 4 m en paralelo o espina de pez

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CAPITULO 5 – CAPTACIÓN DE AGUA SUBTERRÁNEA 5.1 DEFINICIÓN Una captación de agua subterránea, es la estructura civil, dispositivo o conjunto de ellas que permita captar agua desde un cuerpo o corriente subterránea de forma continua, segura y sin disminución de las condiciones hidrológicas, geológicas y ecológicas en los alrededores o aguas abajo.

5.2

FUENTES DE AGUA SUBTERRÁNEA Entre las fuentes de agua subterránea se consideran: a) Vertientes o manantiales Son afloramientos naturales de agua provenientes de acuíferos subterráneos. El afloramiento se produce cuando el acuífero intercepta una depresión del terreno, fracturas, grietas o cambios litológicos emergiendo como una o más venas. Según las características de cada tipo de acuífero, el caudal de la vertiente puede variar entre el período de lluvias y el de estiaje. b) Agua subsuperficial Es el agua que se encuentra a poca profundidad del terreno, tiene recarga por infiltración de cuerpos de agua superficial y/o de lluvia. c) Agua subterránea profunda Es el agua proveniente de los acuíferos libres, confinados y semiconfinados, que se encuentran a profundidades mayores a los 30 m.

5.3

DISEÑO DE OBRAS DE CAPTACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS Son estructuras y dispositivos que permiten la explotación de las aguas subterráneas. Los criterios, parámetros y fórmulas para el diseño se encuentran expuestos en el Capítulo 5 de la Norma Boliviana NB-689 y en el Capítulo 3 del Reglamento Técnico de Diseño de Obras de Captación para Sistemas de Agua Potable. Las obras de captación subterránea son: 5.3.1 Captación de vertientes Son obras que protegen los afloramientos naturales de agua subterránea de cualquier tipo de contaminación y permiten el ingreso de agua a los elementos de conducción de agua hacia el tanque de almacenamiento, distribución o planta de tratamiento.

45

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Las obras de captación de vertientes pueden ser: 

De fondo, cuando se capta agua que emerge en terreno llano. Véase Figuras 5.1 y PL-AP-01-01. Tubería de ventilación

Jalador Tapa sanitaria Tubería de rebose

Zanja de coronamiento

Válvula Cámara de Jalador Válvulas Tubería de aducción

>0.20

Nivel del terreno

Nivel A.

Criba 0.15 0.05

Grava gruesa 2-4 (cm)

Drenaje Válvula de limpieza

Flujo de agua

Tubería de limpieza y rebose

Tubería de limpieza

Figura 5.1: Captación de vertiente de fondo 

De ladera o lateral, cuando se realiza la protección de una vertiente que aflora a una superficie tipo plano inclinado con carácter puntual o disperso. Véase Figuras 5.2 y PL-AP-01-02.

Zanja de Zampeado de piedra con coronamiento mortero impermeabilizante de cemento Tubería de ventilación

>0.20

Jalador Tapa Sanitaria

Nivel A.

Tubería de rebose

Cámara de válvulas

Válvula Grava graduada 2-4 (cm)

Jalador Criba

Barbacanas

0.10

Pantalla Tubería de limpieza

Drenaje Válvula de limpieza

Tubería de aducción Tubería de limpieza y rebose

Figura 5.2: Captación de vertiente de ladera 

46

De bofedal, cuando el afloramiento de la vertiente se realiza por múltiples “venas de agua” anegando el terreno y debiendo emplearse un colector para captar la totalidad del agua. Véase Figuras 5.3 y PLAP-01-03.

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Relleno grava seleccionada

A

Pantalla de H°C° u H°A° ó ladrillo

A

Tubería de limpieza Cámara de válvulas Tubería de rebose

Tubería PVC perforado Ø >2

Tubería de limpieza y rebose Tubería de aducción Pantalla Tubería de drenaje Crib a

Planta

Relleno de grava Seleccionada (2-4cm)

Pantalla de H°C°, H°A° ó ladrillo

Zanja de Coronamiento Cobertura de arcilla

Tubería de PVC perforada Ø >2"

Sección A-A Figura 5.3: Obra de toma de bofedal

Para el diseño de las captaciones de vertientes deben considerarse los siguientes componentes: a) Cámara de protección: para las captaciones de fondo y ladera es muy importante no perturbar el flujo de agua que emerge de la vertiente. La cámara de protección, debe tener dimensiones y formas, tales que, se adapten a la localización de las vertientes y permitan captar el agua necesaria para el proyecto.

48

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47

b) Tuberías y accesorios: el material de las tuberías y accesorios deben ser inertes al contacto con el agua natural. Los diámetros se calcularán en función al caudal máximo de la vertiente y para los requerimientos del proyecto (véase los criterios para determinar los caudales necesarios en el Reglamento Técnico de Estudios y Parámetros Básicos de Diseño para Sistemas de Agua Potable). c) Cámara de recolección de aguas: para las tomas de bofedal, es importante que la cámara de recolección este ubicada fuera del terreno anegadizo y permita la “cosecha” del agua de todas las tomas (pueden haber más de un drene).

5.3.2 Estructura filtrante (Galería Filtrante) Es la estructura que permite captar agua subsuperficial a través de obras paralelas o transversales a los cuerpos de agua. El propósito de estas obras, es interceptar el flujo natural del agua subsuperficial, para que ingrese, por gravedad, al interior de la estructura o tubería y sea conducida hacia una cámara recolectora en una de las márgenes del río. Las estructuras filtrantes pueden ser: a) Galería o bóveda: consiste en una estructura robusta enterrada en el lecho del cuerpo de agua para captar un volumen importante de agua y cuando las condiciones de pendiente del terreno lo permiten. Se emplea particularmente en quebradas o arroyos de bajo caudal superficial. Véase las Figuras 5.4 y PL-AP-04-02. El diseño (largo, ancho y alto) como la disposición de la galería (transversal o paralela al curso de agua) dependerá de las condiciones del cuerpo de agua y del material de arrastre. La estructura debe ser calculada para soportar el empuje del agua y áridos, como también, la carga estática de los áridos y agua por encima de ella (de la estructura).

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Material del rio

Material filtrante filtrante grueso 2-4cm.

Lecho de río

Flujo de agua

1.00m

Material filtrante fino 0.2-2cm

> 0.80

Barbacanas Revoque impermeable

Cuneta

Figura: 5.4: Galería de Filtración de Forma Abovedada b) Tubería de infiltración o de avenamiento: son tuberías perforadas o ranuradas instaladas de forma transversal o paralela a los cursos de agua. Véase Figuras 5.5 y PL-AP-04-01. Es uno de los métodos más empleados por que resulta más barato que la galería filtrante y puede tener muchas aplicaciones. N.A.

Material del Rio

Material filtrante fino

Material filtrante fino Material filtrante grueso

Arena

Capa impermeable

Tuberia perforada

Figura: 5.5: Tubería de Filtración

49

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Para el dimensionamiento de la misma, deberá considerarse la cantidad de agua que se quiere captar y la capacidad o rendimiento del agua subálvea. Requiere de una cámara recolectora del agua que al mismo tiempo funcione como desarenador. 

La longitud de la tubería de infiltración se calcula en función del caudal unitario, utilizando la siguiente fórmula: L=

Q Qu * π* k* a

Qu= 2

⎛ 2*a ⎞ ln ⎜ ⎝ ⎠ ⎟ r

Donde:

L Q Qu k a

Longitud de la tubería de infiltración en m Caudal a captar en l/s Caudal por unidad de longitud en l/s-m Coeficiente de permeabilidad en l/s-m2 Profundidad a la que se encuentra el conducto respecto al nivel de agua en m. Véase Figura 5.6. Lecho del Río

Nivel del Agua

a Tubería de infiltración

d

L º º º r

º

º

º

º

Ve

>0,05m

D

r

Radio del conducto en m

Figura 5.6: Detalles de la tubería de infiltración

50

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

El número de orificios se determina utilizando la siguiente expresión: A n =

a A=

Qu v e * Cc

π* 2

s = Donde: n A s Qu ve Cc d

d 4

Número de orificios por metro Área de flujo en m2 Área de cada orificio en m2 Caudal unitario en m3/s-m Velocidad de entrada a los orificios en m/s ve = 0,05 a 0,10 m/s Coeficiente de contracción por orificio. Cc = 0,55 Diámetro del orificio en m

51

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Ejemplo de Aplicación En la Población “D” se ha previsto una captación mediante la construcción de tuberías de infiltración o de avenamiento para captar el agua subálvea. Se espera captar un caudal igual a 20 l/s. Determinar la longitud total de la tubería de avenamiento si la tubería es de PVC, diámetro de φ 6” y con orificios al tres bolillo de φ1 cm. El nivel del agua sobre la tubería es de 2,0 m. Considere la permeabilidad del estrato de 0,09 l/s-m2. Q = 20 l/s = 0,02 m 3/s r= 3” = 0,076 m k= 0,09 l/s- m2 = 7,776 m3/d-m2 a= 2,0 m

Datos:

Qu =

2 * π *0.09* 2 ⎛2*2⎞ ln

= 0,286 ;

L=

20

=

0,286

70

t⎝ 0.076⎠⎟

n=

0,0065

0,0000785 Entonces:

82,8

Qu = L= n=

0,286 l/s 70,00 m 82 orificios/m

c) Canal de infiltración: son canales de mampostería de piedra o de hormigón ciclópeo que se construyen en los lechos de los cursos de agua para captar el agua subálvea. Véase Figura 5.7. No requieren dimensionamiento especial, sin embargo debe considerar el sistema de evacuación del agua desde el canal a una cámara recolectora. Requiere de una cámara recolectora del agua que al mismo tiempo funcione como desarenador.

52

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N.A.

Material del Rio

Material filtrante fino

Material filtrante fino Material filtrante grueso

Tapa

Capa impermeable

Canal

Figura: 5.7: Canal de infiltración

5.3.3 Pozos Los pozos son obras que se realizan para captar aguas subterráneas subsuperficiales y profundas. Para el diseño de los pozos se debe tomar en consideración los siguientes aspectos: a) Pozos someros, captan agua subsuperficial de acuíferos de poca profundidad, hasta los 30 m. 

Excavados, véase Figura 5.8 y PL-AP-02-01 al PL-AP-02-09. Los pozos excavados no requieren de dimensionamiento específico, sin embargo, debe considerarse los siguientes aspectos: (i) un diámetro mínimo de 1,00 metro para permitir la excavación manual, (ii) el empleo de anillas de hormigón en caso de terrenos deleznables y (iii) profundizar el pozo al menos 2 metros debajo del nivel freático en época de estiaje para permitir la explotación del agua.



Perforados, véase Figuras 5.9 y PL-AP-02-10. Los pozos perforados someros, no requieren dimensionamiento específico; podrán diseñarse en base a estudios prospectivos iniciales o, es su caso, deberá realizarse la perforación directamente hasta alcanzar los niveles freáticos suficientes para la explotación del agua. Pueden ser pozos perforados manual o mecánicamente.

b) Pozos profundos, captan agua subterránea a profundidades mayores a los 30 m. Los criterios técnicos para el diseño de pozos profundos, se

53

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presentan en el Reglamento Técnico de Diseño de Pozos Profundos para Sistemas de Agua Potable. Pueden ser: 

Perforados manualmente, véase Figuras 5.9 y PL-AP-02-10. La perforación manual corresponde a una técnica que emplea equipos simples para perforar pozos de pequeño diámetro empleando los métodos de rotación y percusión, en terrenos de baja concentración de material granular. Los pozos perforados manualmente, sólo pueden ser diseñados en su concepción general. Solamente con pruebas en campo podrá identificarse la posibilidad o no de perforar con esta tecnología. En Bolivia se ha desarrollado con éxito dos sistemas similares de perforación manual de pozos: el sistema EMAS-OPS y el sistema AYNI.



Perforados con maquinaria véase Figuras 5.10 y PL-AP-03-02. Los pozos perforados con máquina permiten captar aguas subterráneas profundas, y requieren equipos de perforación especiales. Las técnicas de perforado podrán ser de percusión, rotación directa o reversa, inyección y otros. El diseño de los pozos perforados profundos requiere la participación de especialistas en hidrogeología y estudios de prospección de aguas subterráneas con equipos de resonancia electro-magnética. En Bolivia existen maquinas y equipos de perforación de pozos profundos en las prefecturas y en empresas privadas que prestan este servicio. Los estudios de prospección hidrogeológica pueden ser encargados a consultoras privadas, al Servicio de Geológico Minero y las facultades de geología de las universidades de La Paz, Oruro y Potosí.

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Tapa de inspección sanitaria

Zampeado de piedra

Canal de Drenaje

Losa tapa H°A°

Brocal

3 1

1.5%

Peldaños

Tubería de succión

3.00 mínimo

Sello sanitario impermeable

Agua Nivel A. Muro seco h Variable

Revestimiento

Tripode de sujeción

2.00 o más acuífero

Filtro Grava >0.50

Figura 5.8: Partes de un pozo excavado y tubo de succión

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Torre de perforación

Percución y rotación Bomba de lodos Manivela Barra de perforación

Pozo

Fosa de retención

Broca

Figura 5.9: Pozo perforado manualmente

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Material lubricante

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Orifico para introducir sonda Brocal Base de H°S

Sello sanitario con mor de cemento Sello de arcilla y arena

Prefiltro de grava

Direccion de Flujo

Tubería geomecánica decantador Tapón cónico Profundidad total entubada

Filtro geomecánico

Sello de arcilla y arena Profundidad perforada

Figura 5.10: Esquema de pozo profundo

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CAPITULO 6 – CAPTACIÓN DE AGUA DE LLUVIA 6.1 DEFINICIÓN Son estructuras, dispositivos o un conjunto de ellas que permiten la captación de agua de lluvia para consumo humano, interceptando y recolectando el agua en depósitos, tanques de almacenamiento o atajados. Los criterios, parámetros y fórmulas para el diseño se encuentran expuestos en el Capítulo 5 de la Norma Boliviana NB-689 y en el Capítulo 4 del Reglamento Técnico de Diseño de Obras de Captación para Sistemas de Agua Potable.

6.2

DISEÑO DE OBRAS DE CAPTACIÓN DE AGUA DE LLUVIA Entre los tipos de captación de agua de lluvia se pueden considerar:

6.2.1 Captación en la superficie del suelo Se emplearán en zonas donde los períodos de lluvia son cortos e intensos, se pueden almacenar grandes cantidades de agua a través de estanques o atajados construidos por debajo del nivel del terreno. El agua recolectada por este sistema debe ser tratada y desinfectada antes de ser utilizada para el consumo doméstico. Véase Figuras 6.1 y PL-AP-07-02. El volumen almacenado se calcula utilizando la siguiente fórmula: =

V

at

0.001 * C * S *( P−E) e i

Donde: Vat Volumen anual almacenado en el atajado en m3/año Ce Coeficiente de escorrentía Ce = 0,90 para membrana sintética (PVC, hyphalon, etc) Ce = 0,80 para zampeado de cualquier material Si Superficie de aporte en m2 P Precipitación anual media en mm E Evaporación anual media en mm

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P

Superficie de aporte (Si)

Vat

E

Escorrentía (Ce)

Figura 6.1: Captación de lluvia en un atajado rectangular

Ejemplo de Aplicación En la Población “E” se captará agua de lluvia en un atajado cuadrado de 1,3 m de profundidad. La zona de aporte se estima en 5.000 m2. Los datos meteorológicos datan de 1200 mm de precipitación al año y una evaporación anual de 800 mm. Determinar la superficie del atajado si la zona de aporte no tendrá recubrimiento especial. Datos:

Si = 5.000 m 2 P= 1200 mm E= 800 mm h= 1,3 m Ce = 0,80; para zampeado de cualquier material.

V = 0.001 * 0,80 * 5000 *(1200 -800 ) at Entonces: Vat = Área = largo y ancho =

1600

m3/año

1230,8 m2 35

m

59

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6.2.2 Captación en techos Están destinadas principalmente al abastecimiento familiar, se recomienda donde las condiciones de la superficie del techo de la vivienda lo permitan. Se deben emplear en zonas donde los períodos de sequía no son muy largos o en zonas donde existe lluvia durante períodos prolongados. Véase Figuras 6.2 y PL-AP-07-01. a) Determinación de la demanda de agua La demanda debe ser estimada utilizando la siguiente relación: D e = 0.365* n* D Donde: De Demanda anual de agua en m 3 / a ño n Número de usuarios D Dotación percápita en l/hab-d D = 10 a 20 l/hab-d b) Determinación de la oferta de agua de lluvia La oferta de agua de lluvia anual puede ser estimada utilizando la siguiente relación:

Va = 0.001* C e * S * P Donde:

60

Va Volumen anual captado en la superficie del techo en m3/año Ce Coeficiente de escorrentía Ce = 0,95 para techo de calamina Ce = 0,90 para techo de teja S Superficie horizontal del techo en m2 P Precipitación anual media en mm

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Area de captación

Tanque de almacenamiento Bajante Grifo Depósito hermético de sedimentos Limpieza

Perspectiva

Techo

Canaleta T.F.G. Ø1 T. PVC Ø > Ø 2

1

Depósito hermético de sedimentos Tapón de limpieza

Detalle desvío primeras aguas Figura 6.2: Captación de agua de lluvia en techos

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Ejemplo de Aplicación En la Población “E” también se realizará la captación de agua de lluvia en los techos de teja de cada vivienda. Se ha estimado que el tamaño familiar medio es de 7 personas y disponen de techos de teja de 50 m2. Determinar si es conveniente la captación de agua de techos para una precitación media anual de 1000 mm. Datos:

n= 7 S= 50 m2 P= 1000 mm Ce = 0,90 (para teja) D= 15 l/h-d (valor asumido)

D e = 0.365* 7 * 1 5=38 V a = 0.001*0,90*50*1000 = 45 Entonces: De = Va =

38 m3/año 45 m3/año

Por tanto si Va > De, es conveniente la captación de agua de lluvia en los techos. Nota.- Si Va fuese menor que De, podrá preverse la captación de lluvia en techos de forma estacional solamente.

62

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CAPITULO 7- ADUCCIÓN DE AGUA POR GRAVEDAD 7.1 DEFINICIÓN Es el conjunto de tuberías, canales, túneles, dispositivos y obras civiles que permiten el transporte de agua, aprovechando la energía disponible por efecto de la fuerza de gravedad, desde la obra de toma hasta la planta de tratamiento, tanque de regulación o directamente a la red de distribución. Los criterios, parámetros y fórmulas para el diseño se encuentran expuestos en el Capítulo 6 de la Norma Boliviana NB-689 y en el Reglamento Técnico de Diseño de Aducciones para Sistemas de Agua Potable.

7.2

TIPOS DE ADUCCIÓN POR GRAVEDAD En el diseño de aducciones se pueden considerar los siguientes tipos:  Aducción por conductos y canales a superficie libre, en la que el agua se conduce a una presión igual a la atmosférica, pueden ser túneles, tuberías y canales en general.  Aducción por conductos cerrados a presión, en la que el agua se conduce a presiones superiores a la presión atmosférica, son generalmente tuberías de agua a sección llena.

7.3

DISEÑO HIDRÁULICO DE LA ADUCCIÓN POR GRAVEDAD

7.3.1 Caudal de diseño El caudal de diseño de las obras de aducción depende del sistema de abastecimiento de agua. a) Si el sistema es por gravedad y cuenta con un tanque de almacenamiento y/o planta de tratamiento la obra de aducción debe calcularse con el caudal máximo diario. b) Si el sistema es por gravedad y no cuenta con un tanque de almacenamiento y/o planta de tratamiento, y la aducción se efectúa directamente a la red, la obra de aducción debe calcularse con el caudal máximo horario.

7.3.2 Diseño hidráulico de canales Son acueductos que trabajan a superficie libre, en la que el agua esta en contacto directo con la atmósfera, su presión de trabajo es igual a la presión atmosférica. El movimiento de agua se debe netamente a la fuerza de la gravedad sobre la masa de agua.

63

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a) Tipos y formas de canales En la Tabla 7.1, se presenta una clasificación de los canales de acuerdo a su tipo y forma. Tabla 7.1: Tipos y formas de canales para la conducción del agua Tipo Cerrado (no a presión)

Abierto

Forma Circulares Elípticas Herradura Otros formas geométricas Trapezoidales Rectangulares Triangulares Semicirculares

b) Tipos de materiales para canales Los canales pueden ser construidos con:        

Hormigón simple. Hormigón con cascote de ladrillo. Hormigón ciclópeo. Prefabricados de hormigón simple. Ladrillo con hormigón simple. Mampostería de piedra. Hormigón armado. Tierra - cemento.

c) Velocidades de diseño La velocidad mínima debe ser de 0,60 m/s, sin embargo pueden ser menores si el ingeniero proyectista justifica técnicamente en función de la tensión tractiva mínima necesaria para la autolimpieza del canal. Las velocidades máximas según el tipo de revestimiento se presentan en la Tabla 7.2.

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Tabla 7.2: Velocidad máxima en canales revestidos (m/s) Tipo de revestimiento

Características del material

Revestimiento de hormigón (agua libre de arenas y piedras)

Revestimiento de piedra (agua libre de arena y piedras)

Hormigón H10 (1) Hormigón H15 (1) Hormigón H20 (1) Hormigón H30 (1) Hormigón H5-H15 (1) Hormigón H25 (1) Hormigón H10 (1)

7,40 6,30 4,30

3,70 7,40 5,00

---

4,70

5,50

---

3,00

3,50

---

2,40

2,80

Piedra de 15 - 20 cm Piedra de 20 - 30 cm

2,60 3,00

3,00 3,60

Piedra de 15 - 20 cm Piedra de 20 - 30 cm

3,00 3,10

3,50 3,70

Gaviones 0.50 m y mayor Piedras grandes Capas de piedra o arcilla (10 a 15 cm) Suelo apisonado con piedra

Capa doble de piedra

Profundidad de escurrimiento (m) 0,5 1,0 12,50 13,80 14,00 15,60 15,60 17,30 19,20 21,20

Fuente: H. Llanusa y C. Viamonte. (1)Tipo de Hormigón de acuerdo al Código Boliviano del Hormigón (CBH 1987).

d) Cálculo hidráulico de canales La cantidad de agua que debe transportar un canal está en función de la velocidad y el área de escurrimiento, de acuerdo a la ecuación de continuidad. Q =v * A Donde: Q v A

Caudal en m3/s Velocidad de escurrimiento de agua en m/s Sección de escurrimiento en m2

La sección debe ser calculada mediante fórmulas geométricas dependiendo del tipo de sección que se adopte. La velocidad puede ser calculada por una de las siguientes fórmulas: 

Formula de Manning-Strickler: v = 1 * R2/3 * I n

1/2

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

Formula de Bazin: v 

87 * R * I

 R

1/2

1/2

Donde: v Velocidad del agua en m/s R Radio hidráulico en m R A PH A sección de escurrimiento en m2 PH Perímetro mojado de agua en m I Pendiente del canal en el tramo en m/m n Coeficiente de rugosidad de Manning (ver Tabla 7.3)  Coeficiente de rugosidad de Bazin (ver Tabla 7.4)

Tabla 7.3: Valores del coeficiente de rugosidad de Manning para superficies de canales Material de las paredes Albañilería de piedra bruta Albañilería de piedra labrada Albañilería de ladrillo sin revestimiento Canales de hormigón acabado ordinario Canales de hormigón revestimiento liso Canales con revestimiento muy liso Canales de tierra en buenas condiciones Canales irregulares mal conservados Conductos de madera cepillada Losetas cerámicas Tubos de acero soldado Tubos de hormigón Tubos de hierro fundido Tubos de asbesto cemento Tubos de ladrillo bien construido Arcilla vitrificada o ladrillo corriente Zanjas y ríos con algunas piedras y hierbas Zanjas y ríos con fondos rugosos y mucha vegetación Fuente: Manual de Hidráulica, Azevedo Netto – Acosta Guillermo

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Valores de n 0,020 0,017 0,015 0,014 0,012 0,010 0,025 0,040 0,011 0,013 0,011 0,013 0,012 0,011 0,013 0,015 0,030 0,040

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Tabla 7.4: Valores del coeficiente de Bazin Material de las paredes

Características de conservación y acabado Muy bueno Bueno Regular Malo 0,06 0,22 0,33 0,50 0,11 0,17 0,28 0,50 0,14 0,22 0,33 0,50 0,00 0,06 0,14 0,22 0,06 0,11 0,22 0,33 0,14 0,22 0,33 0,41 0,00 0,14 0,22 0,28 0,06 0,22 0,28 0,33 0,14 0,28 0,41 1,55 0,50 0,69 1,05 1,38 1,05 1,38 1,60 1,75 0,22 0,28 0,36 0,50 0,06 0,14 0,22 0,33 0,88 1,05 1,21 1,38 0,50 0,69 0,88 1,05 1,05 1,38 1,75 2,10 1,38 1,75 2,04 2,32 1,05 1,38 1,75 2,10 1,75 2,42 3,48 4,85

Losetas cerámicas Drenes de barro Albañilería de ladrillos y cemento Superficies lisas de cemento Superficies revestidas con cemento Tubos de concreto Cajas de madera cepilladas Cajas de madera no cepilladas Canales revestidos con concreto Albañilería de piedra cortada Albañilería de piedra bruta Albañilería de piedra labrada Conductos metálicos lisos Conductos de metal corrugado Canales de tierra Canales de tierra con vegetación y roca Canales excavados en roca Cursos naturales de agua en buenas condiciones Cursos naturales de agua con vegetación, rocas, etc. Fuente: Manual de Hidráulica, Azevedo Netto – Acosta Guillermo

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Ejemplo de Aplicación En cierta población se desea transportar un caudal de 100 l/s a través de un canal trapezoidal por un terreno cuya pendiente es del 1%. Calcular el área y dimensiones del canal si el mismo es recubierto de concreto. b1 h



b

Para canales trapezoidales: 2

b

  h   Atg(  ) ;  h

Datos: Q (l/s) 100

v (m/s) 4 (asumido)

b1b2 *

I (m/m) 0,10

h

;

tg()

PH b 2 

 0,2200

n 0,0140

Donde h es asumido. Paso 1: Determinación del área probable

Q 0,1

Q v * A ; entonces: A 0,025 m

2

v 4

Paso 2: Determinación del radio hidráulico

b

 A 

2 h 

2 0,1 0    0,025 tg( ) tg(60º )  0,192m     h 0,1

h 0,1 PH  b  2 * ______ 0,1 92 2 * se n (60 º ) se n( )

0,423 m

A 0,025 Entonces el radio hidráulico es: R   0,059 m 0,423 PH

68

*

h sen()

 60 º

h 0,10

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Ejemplo de Aplicación (continuación) Paso 3: Verificación de la velocidad de flujo en el canal Por Manning: 1 v =n

* R * I 2/3

1 * 0,059 0,0 4 1

* 0,1 0 2/3

1/2

1/2 =

= 3,426m / s

Por Bazin: v=

87 * R * I1/2 Y+ R

=

87* 0,059 * 0.1 1 / 2 ,1/2 0220,0591/2

3,5 1 0m / s

+

Paso 4: Verificación final de la sección del canal La velocidad por cualquiera de los métodos es próxima a la inicialmente asumida (4 m/s). Ambas velocidades verifican un área total de: 0,029 m/s y 0,028 m/s respectivamente. Por tanto:

Las dimensiones finales del canal podrán ser:  Base = 0,20 m  Altura = 0,20 m (se ha incrementado una revancha de 0,10 m sobre el nivel del agua)  Án g u l o = 6 0 º

7.3.3 Diseño hidráulico de tuberías Son acueductos que trabajan a presión, su presión de trabajo es mayor a la presión atmosférica. El movimiento de agua se debe netamente a la fuerza de la gravedad sobre la masa de agua. a) Tipos y materiales de tuberías Todas las tuberías empleadas para el abastecimiento de agua potable son de forma circular. Las características de las mismas, se presentan en el Capítulo de Tuberías y Accesorios del presente documento. b) Velocidad de diseño en tuberías La velocidad máxima debe ser considerada en función del tipo de material de la tubería, de acuerdo a la Tabla 7.5.

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Tabla 7.5: Velocidades máximas permisibles en tuberías Material Tubería revestida de hormigón simple Tubería de asbesto cemento Tubería de PVC Tubería de hierro fundido Tubería acero galvanizado Tubería de acero

Velocidad máxima (m/s) 3,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00

La velocidad mínima en la tubería debe ser establecida en función de la velocidad de autolimpieza. La velocidad mínima recomendada es de 0,30 m/s. c) Cálculo hidráulico y pérdidas de carga en tuberías Para el cálculo hidráulico y la determinación de pérdidas de carga en tuberías a presión se pueden utilizar las siguientes fórmulas: 

Fórmula de Flamant Se expresa por la ecuación: 4* b * v 7/2 St = D3/2 Donde: St b v D

Pérdida de carga unitaria en m/m Coeficiente de Flamant (ver Tabla 7.6) Velocidad del agua en m/s Diámetro interno de la tubería en m

Tabla 7.6: Coeficiente b de Flamant Material de la tubería b Hierro o acero 0,00023 Nuevos metálicos 0,000185 Concreto 0,000185 PVC 0,000140(1) Fuente: Manual de Hidráulica, Azevedo Netto – Acosta Guillermo (1) Asumido

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Ejemplo de Aplicación Determinar la pérdida de carga mediante la fórmula de Flamant, en una tubería de PVC de 3 pulgadas de diámetro, a través de la cual, circula agua con un caudal de 2,8 l/s. Datos:

D = 75 mm = 0,075 m Q = 2,8 l/s = 0,0028 m3/s b= 0,00014

Paso 1: Determinación de la velocidad media Q v= = A

4 *0,0028 π *0,075

2=

0,63m/s

Paso 2: Determinación de la perdida de carga 4 * b * v 7/2 4 * 0.00014 * 0,63 = St = D 3/2 0.0753/2 Por tanto:



7/2

0,0054m/m = 5,4m/km

St = 5,4 m/km

Fórmula de Darcy-Weisbach. El cálculo de la perdida de carga distribuida o continua en una tubería o conducto cilíndrico largo se debe efectuar mediante la siguiente fórmula: L* V 2 hf = f * D * 2* g Donde:

hf Pérdida de carga distribuida o continua en m f Coeficiente de pérdida de carga distribuida L Longitud de tubería en m V Velocidad media de flujo en m/s D Diámetro interno de la tubería en m g Aceleración de la gravedad (9,81 m/s 2) El valor del coeficiente de fricción “f”, dependerá del régimen del flujo del agua, la viscosidad y el número de Reynolds. El coeficiente puede se obtenido del Diagrama de Moody expuesto en la Figura 7.1 calculando el Número de Reynolds, y la rugosidad relativa (o coeficiente de Colebrok), representadas por:

71

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V*D Re = _ _ ; y, y

ε

k= = coeficiente de Colebrook D Donde: Re k y

D V

Número de Reynolds Rugosidad uniforme equivalente o coeficiente de Colebrook, depende del tipo de material, véase Tabla 7.7. Viscosidad cinemática del agua en m2/s, véase Tabla 7.8. Diámetro interno de la tubería en m velocidad media en m/s

Tabla 7.7: Valores el coeficiente k de Colebrook Material k (mm) Acero galvanizado 0,13 Acero soldado c/revestimiento 0,05 Asbesto cemento 0,10 Hierro fundido nuevo 1 Hierro fundido usado (15 a 20 años) 1–5 Hierro fundido dúctil c/revestimiento de cemento 0,50 Plástico PVC o Polietileno PE 0,01 Fuente: Manual de Hidráulica, Azevedo Netto – Acosta Guillermo

Los valores del coeficiente de viscosidad cinemática en función de la temperatura se presentan en la Tabla 7.8. Tabla 7.8: Viscosidad cinemática del agua Temperatura (°C)

Peso Viscosidad específico (N/m3) cinemática x10-6 (m2/s) 0 9.806 1.792 5 9.807 1.519 10 9.808 1.308 15 9.798 1.141 20 9.789 1.007 25 9.778 0.897 30 9.764 0.804 35 9.764 0.727 40 9.730 0.661 45 9.711 0.605 50 9.690 0.556 55 9.666 0.513 60 9.642 0.477 65 9.616 0.444 70 9.589 0.415 75 9.560 0.39 80 9.530 0.367 85 9.499 0.347 90 9.466 0.328 95 9.433 0.311 100 9.399 0.296 Fuente: Manual de Hidráulica, Azevedo Netto – Acosta Guillermo

72

2

t

2gm

L

D

ht

rozamiento =

Factor de

ZONA LAMINA R

ZONA CRITICA ZONA DE TRANSICION IA TOTAL, TU B

Re = Número de Reynolds =

TURBULENC

dv

ERIAS RUGOSAS

ZONA TURBULENTA

Valores de ( vd ) para agua a 15°C (velocidad en m/s x diámetro en mm.)

d

EC = .000,001

d

CE = .000,005

.00001

.00005

.001 0

.002 0

.004 0

.006 0

.008 0

.001

.02 0

.04 0

.06 0

.08 0

.1 0

.15 0

.2 0

.3 0

.4 0

.5 0

= E Cd

Rugosidad relativa

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Figura 7.1: Diagrama de Moody

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Ejemplo de Aplicación Determinar la pérdida de carga mediante la fórmula de Darcy-Weisbach, en una tubería de PVC de 3 pulgadas de diámetro y 1000 metros de longitud, a través de la cual circula agua con un caudal de 2,8 l/s a una temperatura ambiental media de 15ºC. Datos:

D = 75 mm = 0,075 m L= 1000 m Q = 2,8 l/s = 0,0028 m3/s k= 0,010 (de la Tabla 7.7) y= 1,141 x 10-6 (de la Tabla 7.8)

Paso 1: Determinación de la velocidad media

Q v= = A

4 *0,0028 π *0,075

2=

0,63m/s

Paso 2: Determinación del coeficiente de rozamiento Re =

V * D 0, 63 * 0,075 =

y

1,141x10

6

4

=

4,1 4 10 x

Del Diagrama de Moody se determina “f” para k=0,010 f = 0,0385 Paso 3: Determinación de la perdida de carga h f

f *

L * V2 D*2*g

0,0385 *

1000* 0,63 2 2 * 9 . 8 1 * 0 .075

10,38m

hf = 10,38 m/km (perdida de carga en L=1 km)

74

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

Fórmula de Hazen Williams Es la más empleada por su simplicidad y grado de exactitud, se expresa como: Q =0.28* C * D2.63 * J0.54 Donde: Q C D J

hf L

Caudal en m3/s Coeficiente de Hazen Williams (adimensional), véase la Tabla 7.9. Diámetro interno de la tubería en m Pérdida de carga unitaria o gradiente hidráulico en m/m J = hf / L Pérdida de carga en m Longitud de la tubería en m

Tabla 7.9: Valores del coeficiente C de Hazen-Williams Material C Acero galvanizado 125 Acero soldado c/revestimiento 130 Asbesto cemento 120 Hierro fundido nuevo 100 Hierro fundido usado (15 a 20 años) 60 – 100 Hierro fundido dúctil c/revestimiento de cemento 120 Plástico PVC o Polietileno PE 140 Fuente: Manual de Hidráulica, Azevedo Netto – Acosta Guillermo

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Ejemplo de Aplicación Determinar la pérdida de carga mediante la fórmula de Hazen-Willians, en una tubería de PVC de 3 pulgadas de diámetro y 1000 metros de longitud, a través de la cual circula agua con un caudal de 2,8 l/s. Datos:

D = 75 mm = 0,075 m L= 1000 m Q = 2,8 l/s = 0,0028 m3/s C = 140 (de la Tabla 7.9)

Paso 1: Determinación del gradiente unitario Si

Q 0.28* C * D2.63 * J0.54

Entonces:

 Q  1,85  0,0028  1,85 j   0,00635 m/m   0,28 * C * D 2,63 0,28 * 140 * 0,075 2,63 

Paso 2: Determinación de la pérdida de carga

hf J * L 0,00635 * 1000 6,35m /km

d) Presiones máximas y mínimas

76



La presión estática máxima de la tubería de aducción no debe ser mayor al 80% de la presión de trabajo especificada por el fabricante, debiendo ser compatibles con las presiones de servicio de los accesorios y válvulas a utilizarse.



La presión mínima recomendable en cualquier punto de la tubería de aducción, en las condiciones mas desfavorables de escurrimiento, debe ser de 2 m.c.a., excepto en los puntos inicial y final de la aducción ligados a un tanque o cámara en contacto con la atmósfera.

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CAPITULO 8 - ADUCCIÓN DE AGUA POR BOMBEO 8.1 DEFINICIÓN Es el conjunto de elementos estructurales, equipos, dispositivos, tuberías y accesorios que permiten el transporte de un volumen determinado de agua mediante bombeo desde la otra obra de toma hasta la planta de tratamiento, tanque de regulación o directamente a la red de distribución. Los criterios, parámetros y fórmulas para el diseño se encuentran expuestos en el Capítulo 6 de la Norma Boliviana NB-689 y en el Reglamento Técnico de Diseño de Aducciones para Sistemas de Agua Potable.

8.2

TIPOS DE ADUCCIÓN POR BOMBEO En el diseño de aducciones por bombeo se pueden considerar los siguientes tipos: a) Bombeo en serie Es la acción de impulsar el agua con dos o más bombas instaladas sobre la misma línea de impulsión. Véase Figura 8.1. Se debe aplicar en los siguientes casos:  

Cuando sea necesario aumentar la altura de impulsión. Cuando por las características de la fuente de energía eléctrica, se debe colocar dos bombas en serie en la misma línea de aducción Bomba 1

Bomba 2 Válvula de retención

Válvula de compuerta

Tubería de impulsión Niv el A. Tubería de succión

Válvula de pie Criba o colador

Figura 8.1: Bombeo en serie

77

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b) Bombeo en paralelo Es la acción de impulsar el agua instalando más de una línea de impulsión con su respectiva bomba. Véase Figura 8.2. Se debe aplicar en los siguientes casos:  

Por razones económicas, caudal o energía. Por condiciones de seguridad.

Válvula compuerta

Válvula de retención Túberia de impulsión

Túberia de succión

Válvula de pie

Sumergencia minima

N.A. d

Colador

(0.5-1.5d)

CORTE A - A Motor

Codo 45°

Bomba centrífuga Cámara de bombeo

A

> 1,00

Union universal Bomba centrífuga Impulsión

Motor P L A NT A

Figura 8.2: Bombeo en paralelo

78

A

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c) Bombeo por etapas Es la acción de impulsar el agua de un nivel inferior a otro superior en más de una etapa. Véase Figura 8.3.

Estación de bombeo

Estación de Bombeo

Bomba 2 Cámara de bombeo intermedia

Vertiente

10 Etapa de Bombeo

20 Etapa de Bombeo

Tamque de Almacenamiento

Bomba 1 Cámara de bombeo

Figura: 8.3: Bombeo por etapas 8.3

DISEÑO HIDRÁULICO DE LA ADUCCIÓN POR BOMBEO 8.3.1 Caudal de bombeo Existen dos alternativas para calcular el caudal de bombeo: a) Bombeo a un tanque de almacenamiento El equipo de bombeo y tubería de impulsión deben ser calculadas con base en el caudal máximo diario y el número de horas de bombeo. 24 Q = Qmax.d * N b Donde: Qb Caudal de bombeo en l/s Qmax.d Caudal máximo diario en l/s N Número de horas de bombeo

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Ejemplo de Aplicación Determinar el caudal de bombeo si se desea bombear durante 16 horas en una población cuya demanda es de Qmax.d=10 l/s. Datos:

Qmax.d = 10 l/s. N = 16 horas

Entonces: ⎛ 24⎞ ⎟ = 15 l/s ⎝ 16 ⎠

Qb =1 0 *⎜ Por tanto:

Qb = 15 l/s

b) Bombeo directo a la red de distribución Cuando el bombeo se realiza directamente a la red de distribución, el caudal de bombeo será igual al caudal máximo horario. El sistema de bombeo debe ser regulado por un sistema automático de las presiones máximas y mínimas para evitar roturas de en la red y/o áreas de subpresión. 8.3.2 Altura manométrica de bombeo

Para el diseño de la altura manométrica total o altura total de bombeo se deben tomar en cuenta: •

Bombeo con bombas no sumergibles (véase Figuras 8.4 y PL-AP-03-05): H =hs + h + ∆ h s + ∆ h + e b i i Donde:

80

Hb = Altura total de bombeo en m hs = Altura geométrica de succión en m hi = Altura geométrica de impulsión en m ∆hs= Altura de pérdida de carga en la tubería de succión en m ∆hi = Altura de pérdida de carga en la tubería de impulsión en m e = Altura (presión) mínima de llegada al tanque en m e ≥ 2,00 m

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h s+ h

i

e

Nivel A.

Tanque

Hb hi

Válvulas Bomba

Nivel máx.

hs Nivel min.

Tubería de succión

Tubería de impulsión

Tubería de distribución

Válvula de pie con colador e = Presión de Llegada Hb = Altura de bombeo hs = Altura de Succión hi = Altura de Impulsión hs = Pérdida de la tubería de Succión hi = Pérdida de la tubería de Impulsión

Figura 8.4: Altura de bombeo, bomba no sumergible

81

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Ejemplo de Aplicación Se desea instalar una bomba centrífuga de eje horizontal para bombear agua de 2 m de profundidad hasta un tanque ubicado a 100 m del cárcamo y de 15 m de altura. Determinar la pérdida de carga y la altura manométrica total. Considere una perdida de carga unitaria o gradiente unitario de 0,03 m/m para la impulsión y 0,08 m/m para la succión.

15

2 100 Datos:

hs = hi = Li = Ls = gi = gs = e=

2m 15 m 100 + 15 = 115 m (longitud total de la tubería impulsión) 4 m (se ha asumido que la bomba está a 2 m de la boca del cárcamo) 0,03 m/m 0,08 m/m 2,5 m (debe ser > 2m).

Paso 1: Determinación la altura de pérdida de carga en la tubería de impulsión (∆hi) y en la tubería de succión (∆hs).  

∆hi = Li * gi = 115*0,03 = 3,45 m ∆hs = Ls * gs = 4*0,08 0 = 0,32 m

Paso 2: Determinación la altura manométrica total (Hb) Hb = hs + hi + ∆hi + ∆hs + e = 2 + 15 + 3,45 + 0,32 + 2,5 = 23,27 Por tanto: la altura manométrica total es de aproximadamente 23,3 m

82

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

Bombeo con bombas sumergibles (véase Figuras 8.5, PL-AP-03-03 y PL-AP-03-04): H = h + ∆ +h e b i i Donde:

Hb = Altura total de bombeo en m hi = Altura geométrica de impulsión en m ∆hi = Altura de pérdida de carga en la tubería de impulsión en m e = Altura (presión) mínima de llegada al tanque en m e ≥ 2,00 m

hi

e Nivel A.

Tanque

Válvulas

Hb hi

Pozo Nivel estático

Nivel dinámico

Bomba

Tubería de impulsión

Tubería de distribución

e = Presión de Llegada Hb = Altura de bombeo hi = Altura de Impulsión hi = Pérdida de la tubería de Impulsión

Figura 8.5: Altura de bombeo, bomba sumergible

83

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Ejemplo de Aplicación Se desea instalar una bomba sumergible en un cárcamo de bombeo de 2 m de profundidad y bombear agua hasta un tanque ubicado a 100 m del cárcamo y de 15 m de altura. Determinar la pérdida de carga y la altura manométrica total. Considere una perdida de carga unitaria o gradiente unitario de 0,03 m/m.

15

2 100

Datos:

hi = L= g= e=

15 + 2 = 17 m 100 + 17 = 117 m (longitud total de la tubería) 0,03 m/m 2,5 m (debe ser > 2m).

Paso 1: Determinación la altura de pérdida de carga en la tubería de impulsión (∆hi) ∆hi = L * g = 117*0,03 = 3,51 m Paso 2: Determinación la altura manométrica total (Hb) Hb = 17 + 3,51 + 2,5 = 23,01 m Por tanto: la altura manométrica total es de 23 m

84

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8.3.3 Diámetro de la tubería de succión El diámetro de la tubería de succión puede calcularse con la siguiente expresión:

d = 1.1284* Donde: d Q v

Q v

Diámetro de la tubería de succión en m Caudal de bombeo en m3/s Velocidad media de succión en m/s

La velocidad en la tubería de succión debe estar entre 0,60 y 0,90 m/s.

Ejemplo de Aplicación Determinar el diámetro de la tubería de succión para un caudal de 10 l/s. Datos:

10 l/s = 0,01 m3/s 0,75 m/s (asumido)

Q= v=

Entonces: d =1.1284* 0,01 = 0,13 m 0,75 Por tanto se asume un diámetro comercial: 6 pulgadas

8.3.4 Diámetro de la tubería de impulsión Para el cálculo del diámetro económico en instalaciones que son operadas continuamente, debe emplearse la fórmula de Bresse: D =k * Donde: D k Q

Q

Diámetro económico en m Coeficiente k = 1.00 a 4.40 Caudal de bombeo en m3/s

Para el cálculo del diámetro económico en instalaciones que no son operadas continuamente, debe emplearse la siguiente fórmula:

85

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D

=

1.30 * X 1/4

* Q

Donde: D Diámetro económico en m X Q

N° de horas de bombeo 24 Caudal de bombeo en m3/s

El diámetro de la tubería de impulsión, para distancias cortas, puede determinarse en base a la velocidad, que deberá estar entre un rango de 1,50 m/s a 2,0 m/s.

Ejemplo de Aplicación Determinar el diámetro económico de la tubería de impulsión si se desea bombear un caudal de 10 l/s durante 16 horas por día. Datos:

Q= N=

10 l/s = 0,01 m3/s 16 horas

Entonces, como el bombeo no es continuo, se empleará la fórmula para bombeo alternante. Paso1: Se determina el valor de X 16 X = = 0,67 24 Paso 2: Se determina el diámetro económico D=1.30*(0,67)0,25 * 0,01 =0,12m Por tanto se adopta un diámetro comercial: 6 pulgadas

86

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8.3.5 Golpe de ariete El golpe de ariete se produce al cortar repentinamente el flujo de agua en la tubería transformando la energía cinética del líquido en energía elástica que es absorbida por la masa de agua y la tubería. La sobrepresión por efecto del golpe de ariete se determina mediante la expresión:

w*V*V p= Donde:

p w Vo g Vw

d e

o

g

Sobrepresión por efecto del golpe de ariete kg/m2 Peso específico del agua en kg/m3 Velocidad del agua en m/s aceleración de la gravedad en m/s2 Velocidad de propagación de la onda en m/s

Vw

K E

w

1420 K *d 1+ e* E

Módulo de elasticidad del agua; 2x108 kg/m2 Módulo de elasticidad de la tubería; para FG es 2,1x1010 kg/m2 Diámetro interno de la tubería en m Espesor de la pared de la tubería en m

87

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Ejemplo de Aplicación Determinar la sobrepresión ocasionada por el golpe de ariete en una tubería de impulsión de fierro galvanizado que conduce 10 l/s a una velocidad media de 0,75 m/s. La tubería es de 6” (0,15 m) y el espesor de pared es de 5 mm. Q= 10 l/s = 0,01 m3/s Vo = 0, 75 m/ s w= 1000 kg/m3 g= 9,81 m/s2 K= Módulo de elasticidad del agua; 2x108 kg/m2 E= Módulo de elasticidad de la tubería; para FG es 2,1x1010 kg/m2 e= 5 mm = 0,005 m

Datos:

Paso1: Se determina la velocidad de propagación de la onda Vw

=

1+

1420 2x10 * 0,15

1252 m/s

8

0,005*2,1x10

10

Paso 2: Se determina la sobrepresión por golpe de ariete 1000*1252*0,75 = 95718kg/m 9,57kg/cm 95m.c.a. p =

2

9,81

=

2

≅

Por tanto la sobrepresión por golpe de ariete será: 95 metros columna de agua.

88

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CAPITULO 9 – ESTACIONES DE BOMBEO 9.1 DEFINICIÓN Son un conjunto de estructuras civiles, dispositivos, tuberías, accesorios, motores y bombas que permiten elevar el agua de un nivel inferior a otro superior.

9.2

CLASIFICACIÓN DE LAS ESTACIONES DE BOMBEO Las estaciones de bombeo pueden ser: a) Fijas, cuando la bomba se localiza en un punto estable y no es cambiada de posición durante su período de vida útil. Véase ejemplo en la Figuras 9.1 PLAP-03-05.

Celosía de ladrillo ó reja metálica

Manómetro de descarga Codo

Bomba

Manómetro de succión

Al tanque ó Tratamiento

Válvula de retención Unión universal

Válvula compuerta Unión universal

Valvula de pie Colador

Figura 9.1: Estación de Bombeo Fija

89

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b) Flotantes, cuando los elementos de bombeo se localizan sobre una plataforma flotante. Se emplea sobre cuerpos de agua que sufren cambios significativos de nivel. Véase ejemplo en las Figuras 9.2 y PL-AP-06-01.

Unión articulada Caseta de bombeo Tubería de succión

Tubería de impulsión Tubería flexible Bomba

Nivel máx. Altura de succión

Nivel mín. >0,80m

Figura 9.2: Estación de bombeo flotante

c) Móviles, cuando las bombas son localizadas sobre soportes o plataformas que permiten su cambio de posición accionadas por elementos motrices. Véase ejemplo en la Figura 9.3. Tubería Flexible Bomba

Caseta Tubería de impulsión

Tubería flexible Unión desmontable

Nivel mín.

Unión desmontable

Altura de succión variable

Nivel máx.

Riel

Tubería de succión Válvula de pie con colador

Figura 9.3: Estación de bombeo móvil

90

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9.3 DISEÑO DE LAS ESTACIONES DE BOMBEO Los criterios, parámetros y fórmulas para el diseño se encuentran expuestos en el Capítulo 7 de la Norma Boliviana NB-689 y en el Reglamento Técnico de Diseño de Estaciones de Bombeo para Sistemas de Agua Potable. Los componentes principales que deben ser diseñados son:    

Estimación de caudales Sumergencia mínima Potencia del equipo de bombeo Capacidad o volumen de la cámara de bombeo

9.3.1 Estimación de caudales Para el diseño de las estaciones de bombeo, deben determinarse dos caudales: a) Caudal de ingreso desde al fuente de agua El cual es igual al caudal medio diario cuando existe almacenamiento o igual al caudal máximo horario cuando el bombeo es directamente a la red de distribución. b) El caudal de bombeo Existen dos alternativas para calcular el caudal de bombeo: 

Bombeo a un tanque de almacenamiento El equipo de bombeo y tubería de impulsión deben ser calculadas con base en el caudal máximo diario y el número de horas de bombeo. Véase Capítulo de Aducción por Gravedad.



Bombeo directo a la red de distribución Cuando el bombeo se realiza directamente a la red de distribución, el caudal de bombeo será igual al caudal máximo horario. El sistema de bombeo debe ser regulado por un sistema automático de las presiones máximas y mínimas para evitar roturas de en la red y/o áreas de subpresión.

9.3.2 Sumergencia mínima Cuando se emplean bombas centrífugas de eje horizontal se debe verificar la sumergencia, esto es el desnivel entre el nivel mínimo de agua en el cárcamo y la parte superior del colador o criba.

91

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Se debe considerar el mayor valor que resulte de las siguientes alternativas: a) Para impedir el ingreso de aire: S2, 5 * D0,10 b) Condición hidráulica:

 v 2     0.20 2 * g 

S 2 . 5 *

Donde:

S D v g

Sumergencia mínima en m Diámetro en la tubería de succión en m Velocidad del agua en m/s Aceleración de la gravedad en m/s2

Ejemplo de Aplicación Determinar el diámetro económico de la tubería de impulsión si se desea bombear un caudal de 10 l/s durante 16 horas por día. Datos:

Q= N=

10 l/s = 0,01 m3/s 16 horas

Entonces, como el bombeo no es continuo, se empleará la fórmula para bombeo alternante. Paso1: Se determina el valor de X 16 X    0,67 24 Paso 2: Se determina el diámetro económico D1.30*0,670,25 * 0,01 0,12m Por tanto se adopta un diámetro comercial: 6 pulgadas

92

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9.3.3 Potencia del equipo de bombeo La potencia de la bomba se determinará por la siguiente fórmula:

Qb * b Pb= H 76 * ε Donde: Pb Qb Hb

Potencia del equipo de bombeo en HP Caudal de bombeo en l/s Altura manométrica total en m

Ejemplo de Aplicación Determinar la potencia de una bomba para elevar un caudal de 10 l/s a una altura manométrica total de 60 m. Datos:

Q= 10 l/s Hb = 60 m c = 80% = 0,8 (valor asumido)

Entonces: Pb=

10 * 60 76 * 0 ,8

Por tanto:

9,87HP habrá que seleccionar una bomba con al menos 10 HP de potencia (valores de potencia comercial) y con una altura de bombeo de al menos 60 m.

c

Eficiencia 70% a 90%

El número de unidades de bombeo a instalar en función de la población a servirse, debe proveerse de la siguiente manera: a) Para poblaciones menores a 2.000 habitantes, puede utilizarse una sola unidad con una capacidad de bombeo suficiente para cubrir el 100% de la capacidad requerida más una de reserva de la misma capacidad que funcione alternadamente. b) Para poblaciones de 2.000 a 5.000 habitantes debe utilizarse, previo análisis técnico-económico, una de las siguientes alternativas:

-

Una sola unidad con capacidad de bombeo mayor al 100% más una de reserva de la misma capacidad que funcione alternadamente o, 93

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- Dos unidades con capacidad de bombeo mayor o igual al 50% cada una más una de reserva de la misma capacidad que funcione alternadamente. c) Para poblaciones de 5.000 a 20.000 habitantes se usarán dos equipos, cada uno con una capacidad de bombeo mayor o igual al 50% del total, mas uno de reserva de la misma capacidad que funcione alternadamente. Cuando la fuente de energía para los equipos de bombeo sea eléctrica, se debe disponer además de un grupo electrógeno con capacidad para el 50% de los equipos de bombeo.

9.3.4 Capacidad de la cámara de bombeo

Debe utilizarse cuando la instalación impulsora se encuentra en un sitio distinto a un pozo perforado o excavado. Existen dos posibilidades de diseño:  

Cámara de bombeo con almacenamiento Cámara de bombeo sin almacenamiento

a) Dimensionamiento de la cámara de bombeo con almacenamiento Se empleará cuando el rendimiento de la fuente no sea suficiente para suministrar el caudal de bombeo. Se pueden emplear dos métodos: 

Balance o diagrama de masas Se realizará un balance o diagrama de masas considerando el caudal mínimo de la fuente de agua y el caudal de bombeo. En la Figura 9.4 se ilustra un ejemplo de un diagrama de masas para dos períodos de bombeo. La curva de pendiente constante representa el ingreso acumulado del agua desde la fuente, el ingreso de agua será constante durante el día pero variará estacionalmente, la curva deberá comprobarse para el caudal más bajo o de estiaje. La curva con pendiente variable representa el volumen acumulado del agua bombeada. El volumen de almacenamiento por bombeo se calcula sumando las dos ordenadas opuestas máximas durante el período de un día, para el caso de la figura, este corresponderá a las ordenadas (a) y (d), que proporcionarán un porcentaje de almacenamiento del rendimiento total diario de la fuente.

94

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Entonces: V = a 0,01 * f *[(a)+ (d)] V

Donde: V a Volumen de almacenamiento para bombeo en m 3 Vf Volumen diario acumulado de la fuente, determinado a partir del caudal de estiaje en m3 (a) y (d) Son las ordenadas opuestas máximas para el período de un día de bombeo en %. Véase la Figura 9.4.

10

% acumulado en el cárcamo

p

Curva ingreso de agua al cárcamo

9 8 7

(c)

6 5

(b)

4 Curva de períodos de bombeo

3 2 (a)

1 0

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Tiempo (hrs)

Figura 9.4: Curva de ingreso de agua a la cámara de bombeo vs. períodos de bombeo

• Considerando los períodos de no bombeo El volumen de la cámara de bombeo podrá calcularse también considerando el volumen que se requiere para almacenar el caudal máximo diario, para el período mas largo de descanso de las bombas, mediante la siguiente relación: Va = Qmd * T Donde: Va Qmd T

Volumen de almacenamiento para bombeo en m3 Caudal máximo diario en m3/s Tiempo más largo de descanso de las bombas en s. 95

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Debe cuidarse de mantener el nivel de agua sobre la bomba o tubería de succión para evitar la generación de vórtices.

Ejemplo de Aplicación Determinar el volumen de una cámara de bombeo cuyas bombas serán accionadas después de períodos de 6 hrs y recibe un caudal máximo diario de 8 l/s (caudal de la aducción). Qmax-d = 8 l/s = 0,008 m3/s T= 6 hrs = 3600 s

Datos: Entonces:

Va = 0,008 * 3600 = 28,8 m3 Por tanto:

El volumen de la cámara de bombeo será de: 28,8 m3

b) Dimensionamiento de la cámara de bombeo sin almacenamiento Se empleará cuando la fuente de provisión de agua tenga una capacidad mayor o igual al caudal de bombeo. Para el diseño de la cámara de bombeo, deben considerarse los siguientes criterios:  



Guardar las dimensiones mínimas para la instalación, operación y mantenimiento del equipo de bombeo y accesorios. Las distancias entre la tubería de succión o las bombas sumergibles con las paredes de la cámara, deben permitir el flujo libre del agua sin crear obstrucciones o la succión del aire. El ingreso del agua no debe producir turbulencias que hagan oscilar el nivel mínimo del agua sobre la boca de ingreso.

En al Figura 9.5 se ilustran las dimensiones mínimas recomendadas para las cámaras de bombeo con tuberías de succión cuando se emplean bombas centrífugas de eje horizontal.

96

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1.5d

1.5d

1.5d

1.5d Pared deflectora

Cortina

1.5d

1.5d

1.5d

1.5d 0.75d

0.5d 0.5d

0.75d

1.5d

Mayor a 3d

1.1d-1.2d

Planta

Planta

Pozo de succión con deflector

Pozo de succión sin deflector

Tubería de succión d

Pared deflectora

Nivel mín. Mayor a: a) 2,5 * d+0.10 b)2,5 * 2 +0.20

( V2g

(0.5 - 1.5d)

D

Sección Pozo de succión con deflector Figura 9.5: Formas y dimensiones recomendadas para proyectos de cámaras de succión

97

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CAPÍTULO 10 – PLANTAS POTABILIZADORAS DE AGUA 10.1 DEFINICIÓN Conjunto de obras de infraestructura civil, instalaciones y equipos que tienen la finalidad de transformar la calidad del agua cruda en agua potable a través de procesos y operaciones unitarias. El agua al estar en la naturaleza en contacto con el suelo y la atmósfera, adquiere elementos o compuestos que desvirtúan su composición original físico–química y microbiológica, requiriéndose tratamiento para obtener agua de buena calidad para consumo humano, según lo especificado en la NB 512 (Agua Potable – Requisitos). Los criterios, parámetros y fórmulas para el diseño se encuentran expuestos en el Capítulo 10 de la Norma Boliviana NB-689 y en el Reglamento Técnico de Diseño de Plantas Potabilizadoras para Sistemas de Agua Potable.

10.2 CRITERIOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE PLANTAS POTABILIZADORAS DE AGUA Los siguientes criterios generales deben ser tomados en cuenta para el diseño de plantas potabilizadoras de agua para poblaciones menores a 10.000 habitantes: i.

El diseño deber realizarse de manera tal que refleje la minimización de costos de construcción, operación y mantenimiento, base fundamental de la sostenibilidad.

ii. Previo análisis de la calidad del agua cruda, es recomendable la selección de procesos no mecánicos tales como: aireación, presedimentación, sedimentación, prefiltración, filtración lenta y desinfección. iii. El tratamiento convencional (coagulación, floculación, sedimentación, filtración rápida o filtración directa) sólo se considerará en los casos en los que la calidad del agua cruda lo amerite y verificando a través de pruebas de campo y/o laboratorio que las tecnologías alternativas no presentan eficiencias razonables, produciendo aguas no aptas para el consumo humano, según lo establecido en la NB 512 (Agua Potable-Requisitos). iv. El periodo de diseño de las plantas potabilizadoras podrá estar comprendido entre 5 y 10 años para aquellas instalaciones en las cuales se requieren bajas inversiones y corresponden al concepto de tecnología apropiada y pueden ser ampliada una vez que el periodo haya transcurrido, rara vez ase adoptará 15 a 20 años. Sin embargo, criterios socioeconómicos y financieros definirá en ultima instancia el periodo de diseño, debiendo el proyectista justificarlo. v. que representen el crecimiento demográfico y económico de la población beneficiada. Por ello convendrá modular (fraccionar) las plantas de tratamiento por razones de operación y mantenimiento; y particularmente, para facilitar su implementación en 2 o 3 fases constructivas.

98

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vi. La capacidad nominal de una planta de tratamiento corresponde al volumen total neto de agua tratada que produce dicha instalación para un periodo de 24 horas. La capacidad de diseño será la demanda máxima diaria. Debe tomarse en cuenta para el diseño de instalaciones de plantas de tratamiento un porcentaje correspondiente a las fugas que se producen o producirán en el sistema de distribución. vii. Las etapas o fases del proyecto responden a la disponibilidad de recursos económicos para la construcción, operación y mantenimiento de una planta de tratamiento y la factibilidad de realizar la inversión en corto plazo dentro del periodo de diseño.

10.2.1 Procesos y operaciones de tratamiento de las aguas superficiales Los factores a tomar en cuenta para decidir el o los procesos de tratamiento del agua son los siguientes: a) La remoción de contaminantes b) La calidad del agua en la fuente de origen a) Remoción de contaminantes De manera preliminar y referencial en la Tabla 10.1 se presentan las eficiencias cualitativas en los procesos de tratamiento de agua para la remoción de impurezas, tales como el dióxido de carbono, turbiedad, color, olor, sabor, remoción de hierro y manganeso, remoción de materia orgánica y bacterias.

Tabla 10.1: Eficiencia en los procesos de tratamiento de agua para la remoción de impurezas Parámetro de Calidad Contenido de Oxígeno Disuelto (O2) Remoción de Dióxido de Carbono (CO2) Reducción de Turbiedad Reducción del Color

Tratamiento Filtración Prefiltración Rápida Lenta

Aireación

Presedimentación

Sedimentación

Desinfección (cloración)

(+++)

0

0

(-)**

(-)**

(--)**

(+)

(+++)

0

0

(+)

(+)

(++)

(+)

0

(+)

(+)

(++)

(+++)

(++++)

0

0

(+)

(+)

(++)

(+)

(++)

(++)

(++)

(+)

(+)

(+)

(++)

(++)

(+)

0

(+++)

(++)

(++)

(++)

(++++)

(++++)

(++)*

(+)

(+)

(+)

(++++) (++++)

(+)*

(++)

(++)

(++)

(+++)

Remoción de Olor y Sabor Remoción de Microorganismos Remoción de Hierro y Manganeso Remoción de Materia Orgánica

(++++)

0 (+++)

(+) : Efecto favorable (-) : Efecto no favorable

99

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0: No causa efecto * La aireación produce la oxidación del Hierro, Manganeso y la materia orgánica; la remoción se lleva a cabo en el proceso de sedimentación y/o filtración. ** En aguas con altos contenidos de oxígeno disuelto y con presencia de la luz solar proliferan las algas Fuente: adaptado Carlos España (2005), NB-689 y Reglamentos.

b) Calidad del agua en la fuente de origen Cuando la calidad de las aguas sea tal, que tan solo se identifique la turbiedad y la contaminación bacteriológica (Coliformes termorresistentes) como únicos parámetros que estén fuera de norma (NB 512 Agua Potable – Requisitos) se podrá aplicar la guía de tratamiento mostrada en la Tabla 10.2. Tabla 10.2: Guía para la selección de sistemas de tratamiento para aguas superficiales para poblaciones menores a 10.000 habitantes Parámetro de Calidad Turbiedad * Coliformes Termorresistentes

Tratamiento Recomendado Presedimentación

Sedimentación Convencional

Alta Tasa

Filtración Prefiltración

Rápida

Desinfección

Lenta

Continua

Periódica

0 - 5 UNT X

NMP/100 ml : < 2 0 - 20 UNT

X

NMP/100 ml : 2 - 500 20 - 30 UNT (30 UNT sólo por unos días)

X

(Opcional)

(Opcional)

X

(Opcional)

X

X

(Opcional)

X

NMP/100 ml : 2 - 500

X

X

X X

20 - 30 UNT (30 UNT por algunas semanas)

X

NMP/100 ml :2 - 500

X

(Opcional) X

30 - 150 UNT NMP/100 ml : 500 - 5000

X

(Opcional)

X

30 - 150 UNT NMP/100 ml : > 5000

X

X (Opcional)

X

> 150 UNT** NMP/100ml : >1500**

X X

X

(Opcional)

X

(Opcional)

X

X

X

X

X X

(Opcional)

* La turbiedad se refiere solo a la producida por partículas en suspensión. ** Requiere realizar una investigación detallada para considerar el tratamiento más adecuado. UNT : Unidades Nefelométricas de Turbiedad. NMP/100 ml: Número Más Probable en 100 ml de muestra (Serie de 5 tubos). Fuente: Adaptado Carlos España (2005), NB-689 y Reglamentos.

En la Tabla 10.3, se presenta las alternativas de tratamiento mediante filtración con adición de coagulantes químicos cuando la calidad del agua cruda lo requiera. La tecnología de filtración rápida de agua químicamente coagulada no es una solución sostenible en pequeñas localidades o asentamientos humanos, por sus limitaciones de infraestructura y de capacidad institucional, por lo que su implementación deberá estar ampliamente justificada.

100

X

X X

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Las alternativas para el mejoramiento de la calidad de las aguas en pequeños asentamientos humanos que utilizan fuentes de agua superficial deben estar centradas en la tecnología de Filtración en Múltiples Etapas (FiME), como alternativa para el acondicionamiento de la calidad del agua cruda a la tecnología de la Filtración Lenta en Arena (FLA), seguida de una desinfección.

Tabla 10.3: Criterios de selección según la calidad del agua cruda para el tratamiento con filtración rápida y coagulación química (tratamiento convencional)

Tipo de Planta

Alternativas

Limites aceptables de la calidad de agua cruda 90 % del tiempo

80 % del tiempo

esporádicamente

To Max < 1 500 UNT Si To > 1 500 UNT Filtración rápida T, < 1 000 UNT añadir completa: coagulación + To < 800 UNT C0 < 150 UC presedimentador C.T. decantación + filtración Co < 70 UC. C.T. <-600/100 ml. > 600/100 ml añadir rápida descendente. precloración. UNT Filtración directa CT, o < 3040 UC descendente: mezcla 3 T < 20 UNT FILTRACIÓN To Max < 50 UNT rápida + filtración rápida Algas < 100 mg/m a RÁPIDA descendente. C.T. < 500/100 ml. (PROCESOS Filtración directa FÍSICOS Y ascendente: mezcla To < 100 UNT To Max < 200 UNT QUÍMICOS) T, < 50 rápida + filtración rápida Co < 60 UC Co Max < 100 UC ascendente. Filtración directa ascendente descendente: mezcla To < 250 UNT To Max < 400 UNT T, < 150 UNT rápida más filtración Co Max < 100 UC Co < 60 UC ascendente + filtración descendente. TO: Turbiedad del agua no tratada Co: Color aparente del agua no tratada UC: Unidades de color aparente C.T.: Coliformes Termorresistentes UNT : Unidades Nefelométricas de Turbiedad. Fuente: CEPIS (1992); Criterios de Diseño de Plantas Potabilizadoras de Agua, Tomo II

10.2.2 Procesos y operaciones de tratamiento de las aguas subterráneas Para el tratamiento de las aguas subterráneas se tomará en cuenta una guía general de procesos de tratamiento, según la calidad del agua a tratar y los procesos factibles para la remoción de contaminantes. En la Tabla 10.4 se muestra la relación entre la calidad del agua subterránea y los procesos de tratamiento a aplicarse.

101

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Tabla 10.4: Guía general de procesos de tratamiento para aguas subterráneas Proceso de Tratamiento Calidad del agua a tratar Aeróbica moderadamente dura, no corrosiva Aeróbica blanda y corrosiva Anaeróbica moderadamente dura no corrosiva sin hierro y manganeso Anaeróbica moderadamente dura no corrosiva con hierro y manganeso Aeróbica blanda, corrosiva sin hierro y manganeso Aeróbica blanda, corrosiva con hierro y manganeso

Aireación para: Incrementar Reducir el el O2 CO2

Sedimentación Simple

Filtración gruesa o rápida

Desinfección

X X

X

X

X

X

O

X

X

X

X

X

X

X

O

X

X

X = Tratamiento necesario O = Tratamiento opcional Fuente: Internacional Research Center (IRC)

10.3 OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS EN PLANTAS POTABILIZADORAS DE AGUA Las principales operaciones y procesos unitarios aplicables en el tratamiento de las aguas para poblaciones menores o iguales a 10.000 habitantes son:     

Medición de caudales. Transferencia de gases (Aireación). Transferencia de sólidos (desarenación, presedimentación, sedimentación, prefiltración y filtración). Transferencia de iones, mezcla rápida y floculación. Desinfección.

10.3.1 Medición de caudales La medición de caudales en plantas cuya capacidad nominal sea menor a 1,0 m3/s podrá realizarse a través de dispositivos preferentemente hidráulicos, pudiendo utilizar medidores Parshall, vertederos calibrados u otros dispositivos tales como los Venturi.

102

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a) Medidor Parshall Consiste en un segmento de canal con cambio rápido de pendientes y constricción en el punto llamado garganta. La Figura 10.1 muestra el detalle de la canaleta Parshall en corte y planta, donde se aprecian las dimensiones. Debe cumplir los siguientes requisitos mostrados en la Tabla 10.5:

Secciones

0

Vo

1

2

3 hf

E

Ho hb N

K

ha

X

C

D'

W

W

A

2 / 3B B

F _______ G

Figura 10.1: Canaleta o canal Parshall

Tabla 10.5: Grado de sumergencia en función a la Garganta Ancho de Garganta (W) Pulgada - pie 3 a 9 pulgadas 1 – 8 pies 10 – 50 pies

(cm) 7.5 – 22.9 30.5 – 244 305 - 1525

Máxima sumergencia (hb/ha) 0,6 0,7 0,8

Fuente: Arboleda J. (2000). Teoría y Práctica de la purificación de las aguas.

104



La unidad no debe trabajar ahogada, es decir que la relación hb / ha no exceda los valores mencionados.



La relación ha/W deberá estar entre 0,4 y 0,8, para que la turbulencia del resalto no penetre en la profundidad dentro de la masa de agua, dejando una capa bajo el resalto en que el flujo se transporta con un mínimo de agitación.

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103

El Canal Parshall se calcula con la ecuación:

H0 =K * Q

m

Donde:

Ho = Altura del flujo del agua m Q= Caudal en m3/s K y m = constantes adimensionales; se obtienen de la Tabla 10.6

Tabla 10.6: Valores de K y m según el tamaño de la garganta W Ancho de la garganta del Parshall (W) Pulgadas - pies Metros 3” 6” 9”

0.075 0.150 0.229 0.305 0.460 0.610 0.915 1.22 1.525 1.83 2.44

1’ /2 ‘

1

1 2’ 3’ 4’ 5’ 6’ 8’

K

m

3.704 1.842 1.486 1.276 0.966 0.795 0.608 0.505 0.436 0.389 0.324

0.646 0.636 0.633 0.657 0.650 0.645 0.639 0.634 0.630 0.627 0.623

Fuente: CEPIS (1992); Criterios de Diseño de Plantas Potabilizadoras de Agua, Tomo V

Los medidores Parshall presentan medidas estandarizadas que pueden obtenerse de la Tabla 10.7. Tabla 10.7: Dimensiones estandarizadas de los medidores Parshall W Pulg. 1” 3” 6” 9” 1’ 1 1/2’ 2’ 3’ 4’ 5’ 6’ 7’ 8’ 10’

cm 2,5 7,6 15,2 22,9 30,5 45,7 61,0 91,5 122,0 152,5 183,0 213,5 244,0 305,0

A cm 36,3 46,6 61,0 88,0 137,2 144,9 152,5 167,7 183,0 198,3 213,5 228,8 244,0 274,5

B cm 35,6 45,7 61,0 86,4 134,4 142,0 149,6 164,5 179,5 194,1 209,0 224,0 239,2 427,0

C cm 9,3 17,8 39,4 38,0 61,0 76,2 91,5 122,0 152,5 183,0 213,5 244,0 274,5 366,0

D cm 16,8 25,9 40,3 57,5 84,5 102,6 120,7 157,2 193,8 230,3 266,7 303,0 340,0 475,9

E cm 22,9 45,7 61,0 76,3 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 122,0

F cm 7,6 15,2 30,5 30,5 61,0 61,0 61,0 61,0 61,0 61,0 61,0 61,0 61,0 91,5

G cm 20,3 30,5 61,0 45,7 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 183,5

K1 Cm 1,9 2,5 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 15,3

Fuente: CEPIS (1992); Criterios de Diseño de Plantas Potabilizadoras de Agua, Tomo V

N cm 2,9 5,7 11,4 11,4 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 34,3

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Ejemplo de Aplicación Determinar el caudal Q que atraviesa un medidor Parshall, cuya garganta W es de 3 pies de ancho (0,915 m). La altura de agua en la zona de medición es de 0,510 m. La medición de la altura del agua se la realizará a 2/3 del valor A especificado en la Tabla 10.7, es decir a (2/3) * 1,677 m La altura de agua en la sección de medición en m será:

H0 =K * Q m

Donde: K, m Constantes adimensionales (Tabla 10.6) Q Caudal en m3/s Para el ancho de garganta W = 3 pies; K = 0,608 y m = 0,639 Por tanto: 0,510 = 0,608 * Q 0,639

Q = 0,76 m3/s

Entonces:

b) Vertederos Calibrados Consiste en la disposición de una barrera colocada en todo el ancho del curso de agua (Canal). En la parte superior de la barrera existe una abertura en forma rectangular o triangular que permite el rebose del agua. 

Para el vertedero rectangular se utilizará la fórmula:

Q =1,84 * b * H Donde:



Q b H

1,5

Caudal en m3/s Longitud del vertedero en m Altura de agua en el vertedero en m

Para el vertedero triangular de ángulo recto se utilizará la fórmula:

Q =1 ,4 * H Donde: Q H

2,5

Caudal en m3/s Altura de agua en el vertedero en m

105

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Ejemplo de Aplicación a) En un canal que dispone de un vertedero rectangular de ancho 0,30 m se ha determinado que la altura de agua es de 0,10 m. El caudal que atraviesa dicho canal será: Q = 1.84* 0,30* (0,10)1,5 Por tanto:

Q = 0,0174 m3/s

b) En un vertedero triangular, si la altura de agua es de 0,20 m, el caudal que atraviesa el canal será: Q = 1,4*(0,20)2,5 Por tanto:

Q = 0,025 m3/s

10.3.2 Transferencia de gases (aireación) La transferencia de gases es el fenómeno físico mediante el cual las moléculas de un gas son intercambiadas entre un líquido y un gas a una interfase gas – líquido dando como resultado el incremento de la concentración de gas o gases en la fase líquida en tanto ésta fase no esté saturada con el gas a determinadas condiciones dadas, tales como: presión, temperatura (absorción del gas) y un decremento cuando la fase líquida está sobresaturada (desorción o escape de gas). Los sistemas de aireación más difundidos por su fácil operación y mantenimiento son:  Aireadores de bandejas  Aireadores de cascada Para diferentes presiones y temperaturas, la concentración de saturación del oxígeno y la del CO2 es la mostrada en la Tabla 10.8.

106

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Tabla 10.8: Solubilidades de los gases a diferentes temperaturas y altitudes sobre el nivel del mar (m.s.n.m.) Concentración de saturación del Oxígeno (mg/l) 200 400 2 000 3 500 4 000 14,29 13,94 11,40 9,43 8,86 12,63 12,32 10,07 8,33 7,82 11,06 10,78 8,80 7,28 6,83 9,99 9,73 7,94 6,55 6,15 8,94 8,72 7,10 5,85 5,48 8,19 7,98 6,48 5,33 4,99

Altura m.s.n.m. Temperatura 0° C Temperatura 5° C Temperatura 10° C Temperatura 15° C Temperatura 20° C Temperatura 25° C

0 14,66 12,96 11,34 10,24 9,17 8,40

Altura m.s.n.m. Temperatura 0° C Temperatura 5° C Temperatura 10° C Temperatura 15° C Temperatura 20° C Temperatura 25° C

Concentración de saturación del Dióxido de Carbono (mg/l) 0 200 400 2000 3500 4 000 1,07 1,04 1,02 0,83 0,69 0,65 0,90 0,88 0,85 0,70 0,58 0,54 0,74 0,72 0,70 0,57 0,47 0,44 0,64 0,62 0,60 0,49 0,41 0,38 0,54 0,53 0,51 0,42 0,34 0,32 0,47 0,46 0,44 0,36 0,30 0,28

m.s.n.m.: metros sobre el nivel del mar

a) Aireadores de bandejas Corresponden a un sistema de bandejas con perforaciones en su parte inferior, colocadas en forma sucesiva con intervalos de 30 a 75 cm. El ingreso de agua es por la parte superior y debe distribuirse a través de una tubería perforada, debiendo caer a la primera bandeja y así sucesivamente (véase la Figura 10.2). Los orificios practicados en cada bandeja serán circulares con diámetros de 5 a 12 mm con una separación de 2.5 cm entre ellos. Tuberia distribuidora (perforada) Orificios

Agua cruda

Separacion entre bandejas ____________________

Bandeja de recolección

Altura total del arieador

Bandejas

Agua tratada

Figura 10.2: Aireadores de Bandejas 107

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Una variante de los aireadores de plataformas son los de forma circular, que colocadas las bandejas sobre un eje vertical en forma decreciente en sus diámetros de abajo arriba, dejan caer el agua de la bandeja superior hacia la inferior formando láminas expuestas al aire, véase la Figura 10.3. Los aireadores de bandejas se podrán diseñar de acuerdo a los criterios indicados en la Tabla 10.9.

Bandeja circular

Plataformas

Entrada de agua

Altura del aireador

Separacion entre bandejas

Cámara receptora

Agua cruda

Agua tratada

Figura 10.3: Aireadores de Bandejas Circulares

Tabla 10.9: Parámetros de diseño para aireadores de bandeja Parámetro Carga hidráulica CH Caudal / área total de bandejas Numero de bandejas Altura total del aireador Lecho de contacto: Espesor Coke o piedra, diámetro Orificios de distribución diámetro separación Profundidad de agua en la bandeja Separación entre bandejas

Valor 550 – 1 800 (0,006 – 0,02)* 500 – 1 600**

Unidad m/d (m3/m2 s) m/d

4-6 1,2 – 3,0

m

15 – 30 4 -15

cm cm

5 – 12 2,5

mm cm

15 30 - 75

cm cm

Adaptado de Romero J (1999) * Valores recomendados por Feachem R et al. (1977). ** Valores recomendados por la AWWA Water Quality and Treatment (1977).

108

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La superficie de cada bandeja se calculará mediante:

Q S= CH Donde: S = Área de la bandeja en m2 Q = Caudal de diseño en m3/s CH = Carga hidráulica en m3/m2 s

Ejemplo de Aplicación Diseñar un aireador de bandejas para un caudal de 2800 m3/d. Adoptando una carga hidráulica de 550 m/d de la Tabla 10.9; el área total de las bandejas será: S=

2800 550

S = 5,09 m2 Asumiendo una separación entre bandejas de 0,60 m y considerando 4 bandejas perforadas, la altura total del aireador será de 2,40 m. En cada bandeja se practicarán orificios de 10 mm separados 2, 5 cm entre ellos. El área de cada bandeja será: S Si = 4 Si = 1,27 m2 Por tanto:

Considerando bandejas rectangulares, las dimensiones podrán ser: 1,60 m x 0,80 m.

b) Aireadores de cascada Son aireadores en los que una altura disponible se subdivide en varias caídas para incrementar la cantidad de oxígeno al agua que atraviese ésta estructura o por el contrario disminuir el contenido de los gases no deseables.

109

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Los bordes de los peldaños actúan como vertederos, los mismos que producen una lámina de agua que favorece la exposición con el aire. Véase Figura 10.4.

Agua cruda L

Altura dentellón

v

Q Vertederos

h Agua aireada ×−

Altura total del aireador

1) Aireador de cascada “Tipo A”

Escalón Escalón Escalón Bandeja recolectora Efluente

1) Aireador de cascada “Tipo B”

Figura 10.4: Aireadores de cascada

b1) Parámetros de diseño La Tabla 10.10 señala los parámetros de diseño aplicables a aireadores de cascada.

110

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Tabla 10.10: Parámetros de diseño – aireadores de cascada Parámetro Carga hidráulica CL Altura de escalón Longitud del escalón Altura de la cascada

Valor 1 200 – 6 200 (0,01 – 0,03) 15 - 30 30 - 60 1,8 – 5,0

Unidad m3/m d (m3/m s) cm cm m

Adaptado de Romero J (1999)

b2) Dimensionamiento La longitud del aireador de cascada se calculará a través de la relación:

Q L CL Donde: L = Q= CL =

Longitud total del aireador de cascadas en m Caudal de diseño en m3/s Carga Lineal del aireador en m3/m/s

El contenido de oxigeno absorbido en cada peldaño se aproxima a través de la siguiente ecuación:

CeC0K * (CsC0 ) Donde: Ce =

Concentración de oxigeno al final de la caída en mg/l Cs = Concentración de saturación del oxígeno en mg/l Co = Concentración inicial de oxígeno en el agua en mg/l K1 = Coeficiente de eficiencia de un escalón (10% al 30 %) del valor de la concentración de saturación para una altura de 0,30 m

K

e

 C C 0 CC s 0

Donde:

1

Co = m * Cs Ce = n * Cs

Para “m” entre 0,2 y 04; y “n” entre 0,1 a 0,4 para escalones de 0,30 m de altura.

111

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La concentración inicial del segundo salto corresponde a la concentración final del primer escalón y así sucesivamente. La altura de la lámina de agua será:

h= Q L* v Donde: h = Q= L= V=

Altura de la lámina de agua en m (máximo 0,05 m) Caudal de diseño en m3/s Longitud del aireador de cascadas en m Velocidad de aproximación en m/s (1,0 a 1,2 m/s)

Ejemplo de Aplicación 1 Se desea airear agua que tiene una temperatura de 15 °C en una localidad que está a 3500 m.s.n.m., a través de un aireador de cascadas en una cantidad de 0,1 m3/s La altura de cada salto es la misma y es de 0, 30 m. Calcular el número de escalones necesarios para incrementar el contenido de oxígeno de 3 a 6 mg/l. Datos:

T = 15 °C Cs = 6,55 mg/l (para 15 °C y 3500 m.s.n.m., ver Tabla 10.8) Q = 0,1 m3/s H = 0,30 m (altura de un escalón) C0= 3 mg/l Ce = 6 mg/l Asumimos:

C0 =0,1 0 * Cs Ce = 0,30 * C s

Paso 1: Determinar la eficiencia de un escalón: K1 =

112

0,3 * Cs − 0,1 0 * sC 0,20 = = 0,22 (22%) C − 0,1 0 * C 0,90 s s

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Ejemplo de Aplicación 1 (continuación) Paso 2: Determinar la concentración de oxígeno después de cada escalón

Ce= C0+K * (Cs−C0 Primer escalón:

C01 = 3 mg/l;

)

Ce1 = 3,00 + 0,22*(6.55 – 3,00) = 3.78 mg/l

Segundo escalón: C02 = 3,78 mg/l;

Ce2 = 3,78 + 0,22*(6,55 – 3,78) = 4,39 mg/l

Tercer escalón:

C03 = 4,39 mg/l;

Ce3 = 4.39 + 0,22*(6,55 – 4,39) = 4,86 mg/l

Cuarto escalón:

C04 = 4,86 mg/l;

Ce4 = 4.86 + 0,22*(6,55 – 4,86) = 5,23 mg/l

Quinto escalón:

C05 = 5,23 mg/l;

Ce5 = 5,23 + 0,22*(6,55 – 5,23) = 5,52 mg/l

Sexto escalón:

C06 = 5,52 mg/l;

Ce6 = 5,52 + 0,22*(6,55 – 5,52) = 5,74 mg/l

Séptimo escalón:

C07 = 5,74 mg/l

Ce7 = 5,74 + 0,22*(6,55 – 5,74) = 5,92 mg/l

Octavo escalón:

C08 = 5,92 mg/l

Ce8 = 5,92 + 0,22*(6,55 – 5,92) = 6.06mg/l

Paso 3: Determinar la altura de la lámina de agua 

Altura total del aireador: 0,30 x 8 = 2,40 m (H total)



Longitud del aireador: Asumiendo una carga lineal del aireador de 0,02 m3/m s Entonces:



L=

Q 0,10 = =5m CL 0 , 0 2

Altura de la lámina de agua será: h=

Por tanto:

0,1 0 5*1, 0

= 0,02 m

Se requiere un aireador de cascada de 5 m de longitud y 2,4 m de altura con 8 escalones con una altura de salto de 0,3 m. La altura de la lámina de agua será de 0,02 m.

113

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Ejemplo de Aplicación 2 Agua con un contenido de 5 mg/l de hierro es sometida a un proceso de aireación, el contenido inicial de oxígeno en el agua es de 3 mg/l. ¿Cuantos escalones tendrá un aireador de bandeja para oxidar el hierro? Las condiciones de presión y temperatura son las del ejemplo anterior. Datos:

T = 15 °C Cs = 6,55 mg/l (para 15 °C y 3500 m.s.n.m., ver Tabla 10.8) H = 0,30 m (altura de un escalón) Fe(0)= 5 mg/l

Entonces: La demanda de oxigeno para oxidar el hierro según Peñaranda W. (1984) es:  

1000 mg de Fe necesitan 280 mg de oxígeno, entonces 5 mg de hierro necesitarán 1,4 mg de oxígeno

Se necesitarán en total: 3 mg/l + 1,4 mg/l = 4,4 mg de oxígeno disuelto por litro Según el ejemplo de aplicación 1; tres escalones permiten incrementar el oxígeno disuelto de 3,00 mg/l a 4,86 mg/l, concentración mayor a los 4,40 mg/l requeridos. Por tanto:

114

El aireador tendrá como mínimo 3 escalones de 0.30 m de altura para oxidar el hierro.

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Ejemplo de Aplicación 3 Se desea reducir el contenido de CO2 del agua de un valor de 15 mg/l a 5 mg/l. Calcular el número de escalones necesarios de 0,30 m de altura, considerando las condiciones de presión y temperatura del Ejemplo 1. Datos:

T = 15 °C Cs = 0,41 mg/l (para 15 °C y 3500 m.s.n.m., ver Tabla 10.8 segunda parte) Q = 0,1 m3/s H = 0,30 m (altura de un escalón)

Primer escalón: C01 = 15 mg/l; mg/l

Ce1 = 15,00 + 0,22*(0,41 – 15,00) = 11,79

Segundo escalón: C 02 = 11,79 mg/l; C e2 = 11,79 + 0,22*(0,41 – 11,79) = 9,28 mg/l Tercer escalón: C03 = 9,28 mg/l;

Ce3 = 9,28 + 0,22*(0,41 – 9,28) = 7,32 mg/l

Cuarto escalón: C04 = 7,32 mg/l;

Ce4 = 7,32 + 0,22*(0,41 – 7,32) = 5,80 mg/l

Quinto escalón: C05 = 5,80 mg/l;

Ce5 = 5,80 + 0,22*(0,41 – 5,80)= 4,61 mg/l

Por tanto:

Se necesitarán 5 escalones de 0,30 m. La altura total del aireador será de 1,50 m.

115

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10.3.3 Transferencia de sólidos 10.3.3.1 Pretratamiento: cribado o cernido (desbaste) El cribado o cernido (desbaste) tiene por objeto proteger a la planta de la llegada intempestiva de grandes objetos flotantes, capaces de provocar obstrucciones en las distintas unidades de la instalación, separando y evacuando los materiales arrastrados por el agua cruda. Las rejas que pueden utilizarse con preferencia en poblaciones menores o iguales a 10.000 habitantes son las de limpieza manual. a) Rejas de limpieza manual Las rejas de limpieza manual deben ser construidas con barrotes rectos de acero, verticales o inclinados con ángulos de 60º y 80º sobre la horizontal, especialmente construidas en plantas alimentadas por aguas superficiales. a1) Parámetros de diseño Velocidad de paso La velocidad de paso tendrá un valor que permita que los materiales en suspensión se adhieran a la reja sin que provoquen altas pérdidas de carga, ni se produzcan atascamientos en la parte inferior de los barrotes. La velocidad esta relacionada a los caudales mínimo y máximo. La velocidad media de paso entre barrotes será de 0,60 m/s a 1,0 m/s para caudal mínimo y de 1,20 m/s a 1,40 m/s para caudal máximo Pérdida de carga. La pérdida de carga debe ser de 0,05 m para caudal mínimo y de 0,15 m para caudal máximo a2) Dimensionamiento El dimensionamiento es realizará observando el tipo de materiales en suspensión que trae el agua. La separación entre los barrotes de la reja será:

• • •

Cribado fino, con separación de Cribado medio, con separación de Cribado grueso, con una separación de

3 mm a 10 mm 10 mm a 25 mm 30 mm a 100 mm

El número de barras o pletinas podrá ser calculado usando la siguiente expresión:

= n

116

b+a e+a

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Donde: n = b= a= e=

número de barras ancho total de la rejilla (igual a la del canal) en m espaciamiento entre barrotes en m espesor de cada pletina o barrote en m

La Figura 10.5 muestra el detalle de diseño de las rejillas para un cribado medio (separación entre barrotes 25 mm).

Agujeros de drenaje de 25 mm de diametro bandeja de

Cabeza de Zona curva

Cabeza de los pernos

desagüe

los pernos

Barras Anclaje barra cuadrada de 25 mm de lado soldada a cada barra de la reja

Barra soldada a las barras de la reja Variable ______

117

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Ejemplo de Aplicación Dimensionar una rejilla de cribado medio (espaciamiento 25 mm) para una planta de tratamiento a la cual ingresa un caudal de 0,05 m3/s. La rejilla se colocará a 60º con la horizontal. Datos:

v= Q= b = α=

e= a=

0,60 m/s (velocidad de aproximación - asumida) 0,05 m3/s 0,40 m (ancho del canal de ingreso a la planta de tratamiento, valor inicial asumido) 60º 0,005 m (asumido) 0,025 m (recomendado para cribado medio)

Paso 1: Determinar la altura del canal La altura de agua será:

h=

Q

=

0,05

= 0,2 1 m

b * v 0,4 * 0,60

Altura total del canal: H = h + 0,20 = 0,4 1 m (para una altura de revancha de 0,20 m – asumida) Paso 2: Dimensionamiento de la rejilla Para una inclinación de la rejilla de 60 º, la longitud L de la misma será: L=

0,4 1

= 0,47 m

Sen(60 º )

El número de pletinas será: 0,4 + 0,025 n= =1 4,1 0,005 + 0,025 Entonces se asumen 14 pletinas de 0,005 m de espesor; 0,03 m de espesor; separados a 0,025 m entre si 0,025 0,03

.

118

0,005

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10.3.3.2 Pretratamiento: Desarenadores Los desarenadores son unidades que tienen por objeto extraer del agua cruda, la gravilla, arena y partículas minerales más o menos finas, evitando la producción de sedimentos en los canales y conducciones. Protegen los equipos de bombeo y equipos mecánicos contra la abrasión. Véase la Figura 10.6.

Q Vh

B

Vh

H

Salida

Entrada

Q

Q

Vs

Almacenamiento de Lodos

Vh: Velocidad horizontal Vs: Velocidad de sedimentación

Figura 10.6: Desarenador

El desarenado se refiere a extraer las partículas mayores a 200 micrómetros (0,2 mm) y peso específico de 2650 kg/m3. Las partículas a remover en un desarenador se consideran discretas (no cambian tamaño ni densidad en el tiempo). El dimensionamiento de las unidades estará en función de la velocidad de sedimentación Vs y la velocidad de escurrimiento horizontal Vh a) Carga superficial La velocidad de sedimentación Vs se expresa generalmente como carga superficial (q)

119

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b) Velocidad de sedimentación Para régimen en transición (1< Re< 50) la velocidad de sedimentación se calculará a través de la siguiente expresión: 0.8

ρ V ρ  0.6 0__*w g 0.8* _ _1 _ _s_   ρ w 

* d1.4

s

 Donde:

120

497 * 106

(T42,5)

1.5

Vs Velocidad de sedimentación de la partícula en m/s g Aceleración de la gravedad en m/s2 s Densidad de partículas en kg/m3 w Densidad del agua en kg/m3 d Tamaño o diámetro de partícula en m  Viscosidad cinemática en m2/s T Temperatura en ºC

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Ejemplo de Aplicación Calcular la velocidad de sedimentación de una partícula de arena cuya densidad es de 2650 kg/m3 con un diámetro de 0,5 mm. La temperatura del agua es de 15 °C. g= 9,81 m/s2 s = 2650 kg/m3 w = 1000 kg/m3 d= 0,5 mm = 0,0005 m T= 15 °C

Datos

Paso 1: Cálculo de la viscosidad cinemática 6 497 * 1 0 6 497 * 1 0     (T42.5) 1.5 (1542.5 ) 1,5

1 . 1 4* 10

6

Paso 2: Determinación de la velocidad de sedimentación 0.8

g Vs

ρ  s ρ w *   * d 1.4 ρw 

0.

0.8

1 0 * 0.6



9,80 . 8 *

1 .4 2650 1000 8   *0 . 5 * 1 0 3 1000  0 .6

0 .082

1 0 * 1 . 1 4 * 1 06

m/s Expresando en mm/s: Vs = 82 mm/s Paso 3: Verificación Se verificará que el número de Reynolds esté en el rango especificado (1
Vs *





d * 0.5 * 10 3 6 1.1 04* 10

35 .8 (1
. 0 8 2

121

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De forma práctica se pueden tomar los valores de carga superficial de las Tablas 10.11 y 10.12, válidos en sedimentación libre, para partículas de peso específico 2650 kg/m3. Tabla 10.11: Cargas superficiales en desarenadores d (mm) Vc (mm/s) Vc' (mm/s) Vc" (mm/s) Vl (mm/s)

0.05 2 0 0 150

0.1 7 5 0 200

0.2 23 17 16 270

0.3 40 30 30 320

0.4 56 40 45 380

0.5 72 50 60 420

1 150 110 130 600

2 270 210 250 830

3 350 260 330 1000

5 470 330 450 1300

10 740 650 1900

Vc = Velocidad de sedimentación para un fluido de velocidad horizontal nula Vc’ = Velocidad de sedimentación para un fluido de velocidad horizontal igual a Vl Vc” = Velocidad de sedimentación para un fluido de velocidad horizontal igual a 0.30 m/s. Vl = Velocidad de sedimentación crítica de arrastre de la partícula depositada. (Fuente: Degremont; 1974)

Tabla 10.12: Cargas superficiales según Hazen Diámetro partícula (mm) Velocidad de sedimentación (mm/s)

1,0

0,8

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

100

83

63

53

42

32

21

0,15 0,10 15

8

La diferencia de valores entre el cálculo y los de tablas radica en las diferentes temperaturas a las que se encuentra el agua, por lo que el cálculo mostrado en el ejemplo resulta el valor más conveniente. c) Velocidad de sedimentación crítica La velocidad de sedimentación crítica Vs corresponde a una velocidad minorada por factores tales como: gradientes de temperatura (ambiente y agua), cortocircuitos, zonas muertas, deficiencias en los dispositivos de entrada y salida. Se considera un factor minorante “f” que varía de 10 al 30 % (f =1,1 a 1,3)

V sc =

V s

f

El valor f se seleccionará de acuerdo a una valoración de las condiciones imperantes en la zona donde se ubicará el presedimentador. La selección del valor máximo, corresponde a un 30 % y estará del lado de la seguridad.

122

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La velocidad de sedimentación crítica relacionada con las dimensiones de un desarenador será:

Vsc

Q_= Q q B* L As

Donde: q Carga superficial en m3/m2s Vsc Velocidad de sedimentación crítica en m/s Q Caudal de diseño en m 3/s B Ancho del desarenador en m 0,60 m (mínimo) H Profundidad del desarenador en m 0,50 m (mínimo)

Ejemplo de Aplicación Determinar la velocidad de sedimentación crítica y el área superficial necesaria para llevar a cabo la sedimentación de la arena de 0,5 mm de diámetro, para un caudal de 0,05 m3/s. Considerar la velocidad de sedimentación del ejemplo anterior. Datos

V s = 0,082 m/s f= 1,3 (valor asumido) Q= 0,05 m3/s d= 0,5 mm = 0,0005 m

Paso 1: Determinación de la velocidad de sedimentación crítica. Vsc =

V = 0 . 082 s = 0 . 063 m/s f 1.3

Paso 2: Determinación del área superficial Q 0,05 = 0,79 m2 A s = V=0 , 0 6 3 sc

As Área superficial en m2 d) Velocidad de escurrimiento horizontal La velocidad horizontal Vh será de 0,30 m/s a 0,40 m/s con periodos de retención de 30 s a 120 s que permiten la sedimentación de las partículas de arena.

Q Vh = H

B*

123

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Donde: Vh Velocidad de escurrimiento horizontal en m/s Q Caudal de diseño en m 3/s B Ancho del desarenador en m 0,60 m (mínimo) H Profundidad del desarenador en m 0,50 m (mínimo)

Ejemplo de Aplicación Determinar la velocidad de escurrimiento horizontal considerando las dimensiones mínimas del ancho del desarenador B y de la altura H para un caudal de 0,05 m3/s. Datos

B = 0,60 m H= 0,50 m Q= 0,05 m3/s

Entonces: Vh =

Q

=

0,050

B * H 0,60 * 0,50

=0,1 7m/s

e) Velocidad de resuspensión Para evitar la resuspensión de las partículas, la velocidad de arrastre Va debe ser:

40 * ( ρ ρ ) * g * d/(3 * ρ ) s− w w

V

a=

Donde: Va Velocidad de arrastre de las partículas en m/s g Gravedad en m/s2 ρs Densidad de partículas en kg/m3 ρw Densidad del agua en kg/m3 d Tamaño o diámetro de partícula en m Condición: Va > Vh

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Ejemplo de Aplicación Calcular la velocidad de arrastre de la arena de 0,50 mm de diámetro y determinar si ésta sufre resuspensión. g= 9,81 m/s2 s = 2650 kg/m3 w = 1000 kg/m3 d= 0,5 mm = 0,0005 m

Datos:

Entonces:

Va 40 * (ρ ρ ) * g * d/(3 * ρ ) s w w 40 * ( 2650 1000 ) * 9 .8 * 0 . 5 * 1 0 / 3 3*10000.33m/s  

Se cumple la condición Va > Vh (0,33 m/s > 0,17m/s) Por tanto, la arena no se resuspenderá.

f)

Cálculo de la superficie del desarenador

Para calcular la superficie del desarenador podrá emplearse las siguientes expresiones:

q A

Q

AsB * L

;

s

Donde: q Carga superficial adoptada en m3/m2s B Ancho del desarenador en m L Largo del desarenador en m A s Área superficial en m2

Relación largo/ancho:

L B

= 7 a 12

g) Cálculo de la profundidad del desarenador La profundidad del desarenador podrá determinarse mediante:

H Q B * Vh

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Donde: H Profundidad del desarenador en m B Ancho del desarenador en m Vh Velocidad de escurrimiento horizontal en m/s Se debe cumplir que:

L/H =Vh/Vsc

Ejemplo de Aplicación Determinar el largo y velocidad de sedimentación crítica de un desarenador de dimensiones mínimas (ancho 0,60 m y profundidad 0,5 m) para remover arenas de 0,50 mm de diámetro de un caudal de 50 l/s. Datos:

B = 0,6 m H= 0,5 m Q= 50 l/s = 0,05 m3/s L/B = 7 (relación largo/ancho adoptada)

Paso 1: Determinación del largo del desarenador L=7 * B=7 * 0,60=4 .2 m Paso 2: Determinación de la velocidad de sedimentación crítica Q 0,05 Vsc = = = 0,02 m/s B * L 0,60 * 4,20 Esta velocidad permitirá la remoción de partículas de menor diámetro (0,2 mm). Véase Tabla 10.11. Paso 3: Verificación de proporcionalidades

L/H =Vh /Vsc ;

4,20 / 0,50 = 8,40 y 0,17 / 0,02 = 8,50 (aceptable)

h) Producción de arenas En el desarenador se produce una acumulación de arenas por tanto, al valor H se le añadirá una altura equivalente al volumen de arena que llega a la instalación de acuerdo a las características de la fuente superficial en la época lluviosa. Este volumen se determinará en un ensayo de decantación que dure 1 hora en un recipiente (1 o 2 litros); así se determinará el volumen de arena por litro de agua, que relacionado con el caudal y el tiempo de retención proporcionará el volumen de arena acumulado. La relación del volumen y el área

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superficial proporcionará la altura de arena para un determinado tiempo de purga que debe ser fijado por el proyectista. Es recomendable diseñar dos unidades teniendo en cuenta las condiciones de operación y mantenimiento. i) Estructuras de entrada y salida A la entrada de la planta, se debe prever de un sistema de medición de caudal y estructuras que permitan evacuar las excedencias. Se recomiendan del tipo vertedero sumergido, con orificios circulares que garanticen distribución uniforme del flujo, con velocidad menor a 0.30 m/s. La estructura de salida puede consistir de un vertedero simple sumergido de ancho B cuya carga no altere el flujo en la zona de sedimentación. Esta condición se cumple si L / H < 5 y la velocidad de salida sea menor a 0,60 m/s. Para el control en la operación y mantenimiento se debe disponer de una válvula de control a la entrada y otra a la salida. 10.3.3.3 Presedimentadores – Sedimentadores Clásicos Los Presedimentadores y sedimentadores clásicos son unidades de pretratamiento que tienen por objeto separar las partículas sólidas de un líquido; estas partículas no deben ser de origen coloidal. Los diámetros están comprendidos entre 0,01 mm y 0,20 mm. Los sedimentadores son de sección rectangular, compuesta por: zona de entrada, zona de sedimentación propiamente dicha, zona de lodos y la zona de salida. Véase la Figura 10.7. Zona de entrada

Pantalla Zona de salida

L Nivel A.

Zona de sedimentación Vh

Agua cruda

Agua sedimentada

Vs %

Drenaje y Limpieza de Lodos

Figura 10.7: Tanque de sedimentación simple

127

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Para el diseño se toma en consideración las partículas discretas, el escurrimiento horizontal Vh y la velocidad de sedimentación Vs. a) Velocidad de sedimentación crítica

V

Vs

sc =

f Vsc

; f =1,1a1,3

Q __ =Q B* L A s

q

Donde: q Carga superficial en m3/m2s Vsc Velocidad de sedimentación crítica en m/s Q Caudal de diseño en m 3/s B Ancho del presedimentador en m H Profundidad del presedimentador en m As Área superficial en m2 f Factor de seguridad que contempla aspectos climáticos (gradientes de temperatura), oleaje, corto circuitos y zonas muertas. El proyectista ponderará este factor según observaciones de campo. En un presedimentador se retienen las partículas cuya velocidad de sedimentación sea superior a la velocidad ascendente del líquido. Para una profundidad H del presedimentador, una partícula sedimentará con una velocidad de caída constante Vs y alcanzará el fondo al cabo de un tiempo t. Su valor será:

H Vs t Donde: Vs Velocidad de sedimentación en m/s H Profundidad del presedimentador en m t Tiempo de retención en s b) Velocidad de escurrimiento horizontal Debe ser menor a la velocidad de arrastre de las partículas

Vh = V

128

a=

Q B*H

40 * (ρ ρ ) * g * d/(3 * ρ s− w

w

)

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Donde: Vh Velocidad de escurrimiento horizontal en m/s Q Caudal de diseño en m 3/s B Ancho del presedimentador en m H Profundidad del presedimentador en m V a Velocidad de arrastre de las partículas en m/s g Gravedad en m/s 2 ρs Densidad de partículas en kg/m3 ρw Densidad del agua en kg/m3 d Tamaño o diámetro de partícula en m Condición: Va > Vh La Tabla 10.13, indica los valores que podrán adoptarse según criterios del proyectista y comprobarse con las pruebas que se realicen en campo o laboratorio; pruebas en columna de sedimentación o pruebas de jarras.

Tabla 10.13: Parámetros para el diseño de sedimentadores Parámetro de diseño Tiempo de retención Carga superficial Velocidad horizontal Carga lineal de vertederos

Unidades Horas m3/m2d ( mm/s) mm/s Litros/ m s

Valores 1,5 - 3,0 24,2 – 60,5 (0,28 – 0,70) <10 <10

Fuente: Sedimentación; Huisman 1992

c) Cálculo de la superficie del presedimentador – sedimentador clásico El cálculo de la superficie de los sedimentadotes podrá determinarse mediante las siguientes expresiones:

q= A

Q

;

A =B * L

s

Donde: q Carga superficial adoptada en m3/m2s B Ancho del presedimentador en m L Largo del presedimentador en m As Área superficial en m2 Relación largo / ancho:

L

=4a8

B d) Cálculo de la profundidad del presedimentador – sedimentador clásico Para determinar la profundidad de los sedimentadotes podrán emplearse las siguientes expresiones: Q V Q*t H = _____ ; t = ;H= B * Vh Q A

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Donde: H Profundidad del presedimentador en m B Ancho del presedimentador en m Vh Velocidad de escurrimiento horizontal en m/s t Tiempo de retención en segundos en s V Volumen del presedimentador en m 3 A Área superficial en m 2 Q Caudal de diseño en m3/s

e) Producción de lodos. Es necesario contar con valores obtenidos en campo o laboratorio que señalen la concentración volumétrica C de las partículas por litro de agua en (ml/l). El volumen de lodos será Vl y estará dado por: Vl = E * C * Q Donde: Vl Volumen de lodos producido en m3 E Eficiencia remocional de lodos en % C Concentración volumétrica de partículas en ml / l, medidos en un cono Inhoff después de una hora de sedimentación Q Caudal de diseño en m3/s La eficiencia E, la asume el proyectista en función a la calidad de la obra y rutinas de operación de la planta de tratamiento. Como valor razonable, para buenas condiciones de operación se podrá asumir E igual al 80 %. f)

Volumen de la cámara de lodos

Se calculará en función al tiempo entre cada purga, definido por el proyectista de acuerdo a la producción de los lodos.

Vcl =Vl * t Donde: Vcl Volumen de la cámara de lodos en m3 Vl Volumen de lodos producido en m3 t Tiempo de retención en segundos en s El volumen de lodos, será adicional al volumen del sedimentador. g) Dimensión de la cámara de lodos La dimensión de la cámara de lodos está en función a su geometría y al número de cámaras que el proyectista adopte. Se recomienda no exceder el tiempo de purga mayor a una semana. Tiempos mayores tornan los lodos anaeróbicos.

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h) Estructuras de entrada Permiten distribuir el flujo de manera uniforme en el área transversal de la zona de sedimentación. Son elementos que regulan el régimen hidráulico, proporcionando menores velocidades de escurrimiento a partir de la pérdida de energía debido a la pérdida de carga que se produce en sus dispositivos. Consiste en un canal cuya longitud es igual al ancho del presedimentador y que tiene provisto en su base orificios de sección circular que permiten al flujo ingresar de forma vertical y de manera sumergida, con velocidades de 0,2 m/s a 0,3 m/s. La Figura 10.8, muestra las estructuras de entrada que consisten en verteros simples o pantallas con orificios, dispuestos en todo el ancho de la unidad calculadas de manera tal que puedan ingresar el agua de forma uniforme. Nivel A.

Nivel A.

Figura 10.8: Ejemplos de estructuras de entrada a sedimentadores

El canal de ingreso debe ser diseñado para una velocidad de 0,30 m/s con una sección mayor a por lo menos 1,5 a 2,0 veces el área total de los orificios. La velocidad de paso a través del deflector está dada por la expresión: Vc

Q * n d* 0,9 * H

Donde: Q n d H

Caudal m3/s Nº de sedimentadores Separación entre la pared y la pantalla deflectora en m Altura del sedimentador en la zona de entrada en m

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Condición: la variación de caudal de los orificios ∆q de la parte superior y de la inferior debe ser menor al 5 %. ∆q ≤ 5%

i)

Estructuras de salida

Las estructuras de salida recolectan el agua de manera uniforme. Se utilizarán canaletas de rebose a las cuales se les practicará vertederos triangulares o rectangulares en número tal que evacuen el caudal de diseño y presenten crestas de no más de 0,02 m para evitar la resuspensión de los sólidos en la zona de salida. Se asumirá la longitud (l) y número de canaletas Nc provistas de vertederos en número también asumido Nw, considerando que en cada canaleta se recolecta el agua a través de los vertederos por ambos lados (a = 2) La Figura 10.9, muestra las estructuras de salida que consisten en canaletas de recolección, a las cuales se les practican vertederos rectangulares o triangulares, dispuestos en toda la longitud de la canaleta y calculados de manera tal que puedan evacuar el caudal de diseño.

Canaleta central

Vertedero lateral

Nivel A.

∆

Figura 10.9: Ejemplo de estructuras de salida de sedimentadores

j)

Carga de vertederos

La carga del vertedero wl < 5H`Vs Q Q wl = ___________________________________________ ; N * a * l c

132

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Donde: Wl Carga del vertedero en m3/m s Q Caudal de diseño en m3/s Nc Número de canaletas a Números de lados por canaleta l Longitud de una canaleta en m Vs Velocidad de sedimentación en m/s H` Corresponde a la altura en m en la zona de salida, calculada considerando la pendiente del presedimentador; si es del 1% será: H` (H0,01L) Donde:

L Longitud del presedimentador en m H Altura del sedimentador sin considerar la altura de la zona de lodos en m

Condición: 5 H`Vs > Wl El caudal por cada vertedero podrá

se calculado mediante:

Q

Q  N*N W

c

Donde: Q Caudal de diseño en m3/s Nc Número de canaletas NW Número de vertederos La altura de agua sobre la cresta será: 2/3

QW  H 1,83 * b   (Vertedero rectangular)   2/5 QW H  1,4  (Vertedero triangular de ángulo recto)  W

W



133

W

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Ejemplo de Aplicación 1 Diseñar un presedimentador – sedimentador clásico, para un caudal de 0,05 m3/s. Determinar sus dimensiones L, B y H (largo, ancho y altura). De Tabla 10.13 se asume un tiempo de retención de 2,5 horas (criterio del proyectista) y una velocidad de sedimentación (carga superficial) de 0,60 mm/s, tomada de pruebas de sedimentación realizadas en campo o laboratorio. Tomando en cuenta los efectos debidos a vientos, temperatura, corto circuitos y perturbaciones en el flujo tanto en la entrada como en la salida de la unidad de tratamiento, se asume un factor de afectación a la velocidad de sedimentación de 0,30. La velocidad de sedimentación crítica será Vsc = 0,60 /1,30 = 0,46 mm/s Datos:

Q = 0,05 m3/s t= 2,5 horas = 9000 s Vs = 0,60 mm/s f= 0,30

Paso 1: Cálculo del volumen y altura de la unidad: V = Q * t = 0,05 * 9000 = 450 m3 H = Vsc * t = (0,60 / 1,30) * 9000/1000 = 4,15 m Paso 2: Determinación de las dimensiones del sedimentador El área será:

A = V / H = 450 / 4,15 = 108,43 m2

Asumiendo 2 tanques:

A i = A / 2 = 108,43 / 2 = 54,22 m2

L Para una relación: = 4 B Ai 54,22 B = ___ = = 3,68 m 4 4

134

La dimensión constructiva será:

B = 3,70 m

La longitud del tanque será:

L = 4 * B = 14,72 m

La dimensión constructiva será:

L = 14,70 m

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Ejemplo de Aplicación 2 Determinar el volumen de lodos producido en un presedimentador - sedimentador clásico, sabiendo que la concentración volumétrica de lodos es de 5 ml / l y la eficiencia del sedimentador es del 80 %. En base a la producción de lodos diseñar el volumen de la cámara de lodos para periodos de purgas cada 12 horas. Datos:

C= E= Q= t=

5 ml/l 80 % 0,05 m3/s = 50 l/s 12 hrs.

Paso 1: Determinar la producción de lodos Vl = E* C * Q Vl = 0,80 * 5 * 50 = 200 ml / s = 0,2 l/s Paso 2: Determinar el volumen de lodos para 12 hrs V l-12h= 0,2 * 12*3600 =8640 litros = 8,64 m3 Por tanto:

Se diseñaran 2 cámaras de 4,32 m3 que se purgarán cada 12 horas de forma alternante.

135

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Ejemplo de Aplicación 3 Diseñar la estructura de entrada del presedimentador – sedimentador clásico, para un caudal de 0,05 m3/s y cuyas dimensiones son: L =14,70 m; B = 3,70 m; H = 4,15 m. La Estructura de Entrada consistente en una pantalla deflectora colocada a 1,00 m de la pared, provista de orificios distribuidos sobre el 90 % de su altura (0,90 * 4.15) = 3,74 m y en todo el ancho B del tanque. La distancia horizontal y vertical entre orificios será de 0,30 m (valor asumido)        

N° de orificios horizontales: 12 N° de orificios verticales 13 Diámetro de los orificios: 0,05 m (valor asumido) Área de cada orificio: F i = 1,96 x 10 -3 m2 Número total de orificios: 12 * 13 = 156 Coeficiente de descarga: 0,50 Coeficiente de fricción: 0,04 Número de sedimentadotes = 2 (a causa de la pantalla deflectora)

La velocidad de paso del agua por la pantalla deflectora será: Q 0,05 3 V 6,68 * 1 0 m/s c n * d * 0,9 * H 2 * 1 * 0,9 * 4,1 5 Radio hidráulico: d*h RH  d2*h

1* 3,74 0,44 m 12 * 3,74

Diámetro hidráulico: DH4 * R H 4 * 0,44 1 . 76m Caudal por cada orifício:

0,05 4 Q   1,60 * 1 0 m3/s i 2 *156

Nivel piezométrico: Q   1_______  1,60 * 1 40   1      i  1,36 * 1 0 3 m * Z  * F  * 2 * g  3  0,50 * 1,96 * 1 0  1 9,62  i   

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Ejemplo de Aplicación 3 (continuación)

Variación del nivel piezométrico: 2 * B 1  6,68 * 1 03  0,04 * 3,70 1     1   *1 2,1 98 * 1 06       m 2 * g 3 * D n 1 9,62  3 * 1,76 156  H   Variación de caudal en los orificios:

V

2

C

3

6

3 1,36 * 1 0 2,1 98 * 1 0 / 2       Z / 2  1,361*10 1  q 6 1 03 3  (Z /2 1,36 * 2,1 98 * 1 0 / 2  1,359 * 1 0

1 7.35 * 1 1

 % q= 0,073% Como %q es menor al 5%, significa que el diámetro y número de orificios asumido es el correcto, así como la separación entre la pared y la pantalla (d =1,0 m). Por lo tanto, el diseño de la pantalla deflectora es aceptable.

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Ejemplo de Aplicación 4 Diseñar la estructura de salida del presedimentador – sedimentador clásico, para un caudal de 0,05 m3/s y cuyas dimensiones son: L =14,70 m; B = 3,70 m; H = 4,15 m. La Estructura de Salida consistente en canaletas de recolección lateral de sección rectangular, provistas de vertederos rectangulares en toda su longitud. Se asumirán los siguientes valores:     

N° de canaletas: Nc = 2 Longitud de cada canaleta: l = 2,0 m N° de lados por canaleta: a=2 N° de vertederos / canaleta: Nw = 2 * 7 = 14 (7 por lado) Vertedero rectangular cuyo ancho: b = 0,15 m.

Criterio: La carga del vertedero:

wl < 5 H` Vs

La velocidad Vs será la velocidad de sedimentación crítica Vsc wl =

Q 0,05 / 2 3 = = 4,1 7 * 1 0 −3m /m s N*a*l2*2*2 c

La altura a la salida del sedimentador, para una pendiente de fondo del 2 % será: H`=(H−0,02*L)= 4,15−0,02*14,70 = 3,86m ⎛

0 3 5 * H` *V = 5 * 3,86 * ,05 ⎜ /2⎞ 8,87 * 1 0 − ⎟= sc ⎝ 3,70 * 1 4,70 ⎠

Como wl es menor a 5H`Vsc se verifica que el número de canaletas, así como el número y dimensiones de los vertederos es el correcto.

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Ejemplo de Aplicación 5 Verificar la carga de los vertederos de recolección de agua sedimentada del anterior ejemplo. Considerar dos estructuras de salida. El caudal en cada vertedero será: Q  w

Q N *c Nw



0,05/2 4 8,93 * 1 0 m3/s 2*14

La altura de agua por encima de la cresta del vertedero rectangular será: 2/3

Hw

2/3

8,93 * 1 04    Qw        1,83* b 1,83 * 0,1 5 

0,02 m

El valor de Hw es aceptable y evitará la resuspensión de las partículas en la zona de salida.

Ejemplo de Aplicación 6 En base a los resultados de los ejemplos de aplicación 1 y 3, determinar las dimensiones finales del presedimentador – sedimentador clásico diseñado para un caudal Q = 0,05/2 m3/s, tomando en consideración las zonas de entrada y salida. A la longitud del presedimentador – sedimentador clásico se le adicionará las longitudes de estrada (d= 1,0 m) y la correspondiente a la salida (longitud de las canaletas l = 2,0 m). Por tanto las dimensiones finales serán: Ltotal= Lentrada + Lsedimentación+ Lsalida= 1,0+14,7+2,0 = 17,7 m B, H, H` no sufren modificaciones y tendrán los valores B = 3,70 m; H =4,15 m; H`=3,86 m

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10.3.3.4 Sedimentadores de alta tasa (placas) Son unidades de alta eficiencia y de poca profundidad con relación a los sedimentadores clásicos. El proceso se realiza en elementos poco profundos; placas planas paralelas, placas onduladas paralelas, módulos tubulares, de sección cuadrada, hexagonal, octogonal y otras, colocados en los tanques, presentando en cada caso eficiencias particulares. Los tiempos de retención son cortos (15 minutos). Los tipos de sedimentadores de alta tasa más comunes son: 

Sedimentadores de flujo ascendente: Son unidades de tratamiento en las que el flujo de agua atraviesa los elementos insertos en forma ascendente. Véase Figura 10.10. Orificios de Salida

Nivel A.

Placas para Sedimentación Salida de Lodos

Figura 10.10: Sedimentador de alta tasa de flujo ascendente 

Sedimentadores de flujo descendente: Son unidades de tratamiento en las que el flujo atraviesa los elementos insertos en forma descendente. Véase Figura 10.11.

Entrada

Canal de Salida

Nivel A. ho h1 h2 Ho h3

H1

Placas para Sedimentación ?h

Salida ___ de Lodos __

Ls

SECCION A - A ho = 0.30 - 0.40 m

h2 = 1.04 m

Ho = 3.84 - 4.24 m

h1 = 0.50 - 0.60 m

h3 = 2.0 - 2.20 m

H1 = Ho + ?h m

Canal de

Figura 10.11: Sedimentador de alta tasa de flujo descendente 140

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Para sedimentadores de flujo ascendente como descendente, se aplican los siguientes criterios de diseño: a) Velocidad de sedimentación crítica En sedimentadores de alta tasa, la velocidad de sedimentación crítica esta dada por: Sc v 0 V = sc Senθ + LCosθ l d L=

Lc =L−L´ ;

;

L`=0,013* Re

Donde: Vsc Velocidad crítica de asentamiento o carga superficial de sedimentación de alta tasa v0 Velocidad promedio del fluido en el elemento de sedimentación de alta tasa o carga superficial en el área de sedimentación de alta tasa. e Ángulo de inclinación del elemento de sedimentación de alta tasa. L Longitud relativa del sedimentador de alta tasa, en flujo laminar. l Longitud recorrida a través del elemento (tubo, placa) en m. Véase Figura 10.12. Lc Longitud relativa del sedimentador de alta tasa en flujo laminar, corregida en la longitud de transición L` (adimensional) d Ancho del conducto o espaciamiento entre placas en m Re Número de Reynolds (adimensional) Sc Parámetro característico; igual a 1,0 para sedimentadores de placas paralelas. Sc Parámetro característico; igual a 4/3 para tubos de sección circular. Sc Parámetro característico; igual a 11/8 para conductos de sección cuadrada.

e l V0 e = Espesor de placa d = Distancia entre placas l = longitud de placa d

Figura 10.12: Dimensionamiento de las placas de sedimentación.

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El valor de Sc para sedimentadores de placas paralelas es 1,0. Cualquier partícula suspendida con un valor de S mayor o igual a 1,0 en un sedimentador de placas paralelas será removida.

b) Número de Reynolds El número de Reynolds debe ser menor a 500 para garantizar el flujo en transición. R e 0 v* d

 



;

497 * 10 6 (T42.5)



1.5

Donde: Re Número de Reynolds (adimensional) v0 Velocidad promedio del fluido en el sedimentador en m/d d Ancho del conducto o espaciamiento entre placas en m  Viscosidad cinemática en m2/s T Temperatura del agua en ºC

c) Tiempo de retención El tiempo de retención es de 3 a 6 minutos en los sedimentadores de tubos y de 15 a 25 minutos en sedimentadores de placas.

tl v

0

Donde: t Tiempo de retención en min. l Longitud recorrida a través del elemento (tubo, placa) en m. v0 Velocidad promedio del fluido en el sedimentador en m/min. d) Velocidad promedio de flujo entre placas

Q v0 A *Senθ Donde: Q Caudal de diseño en m3 A Área superficial en m2 Ángulo de inclinación del elemento de sedimentación de alta tasa. e) Carga superficial CS 

Q A

142

;A

Q CS

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Donde: CS Carga superficial de sedimentación en m3/m2d Q Caudal de diseño en m3 A Área superficial en m2 La carga superficial CS debe obtenerse en laboratorio o pruebas de campo y tendrá relación con un valor de eficiencia remocional deseable o la máxima turbiedad admisible por las unidades de filtración (razonable hasta 10 UNT). El valor Vsc es comparable con la carga convencional superficial de diseño que para flóculos de sulfato de aluminio que es de 14 – 22 m/d. f)

Longitud de sedimentación

A Ls = b Donde: Ls Longitud de sedimentación en m A Área superficial en m 2 b Ancho del sedimentador en m; asumido por el proyectista en función al ancho de placas. g) Número de placas por módulo N=

L Senθ + d s

d+e

Donde: N Número de placas por módulo Ls Longitud de sedimentación en m e Ángulo de inclinación de las placas en (º) d Separación entre placas en m e Espesor de las placas en m

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Ejemplo de Aplicación Diseñar un sedimentador de placas paralelas, para un caudal de 0,05 m 3/s. La temperatura del agua es de 15 ºC. Para una operación y mantenimiento adecuado, se adoptan 2 unidades cada una para un caudal de 0,025 m3/s Según pruebas de laboratorio, se determina que la tasa de sedimentación es de 162 m/d.

Área de sedimentación: A=

Q CS

=

0,025 * 86400 162

= 1 3 . 33 m2

Velocidad promedio entre las placas inclinadas: La inclinación de las placas será de 60º respecto a la horizontal. Q 0,025*86400 v0= A * Senθ 1 3 . 33 * Sen60 º = 1 87,1 0 m/d v0 =0,1 3m/min

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Ejemplo de Aplicación (continuación) Longitud relativa de sedimentación: Se tomará en cuenta la separación entre placas “d “y la longitud real de la placa “l” Para d = 6 cm y l = 120 cm: l 120 L   20 d 6 La longitud relativa para la zona de transición L` será: Re 0 v* d 

L`0,0 1 3 * Re



Para 15 ºC de temperatura del agua, la viscosidad cinemática será:



497*106 (T42,5)

1,5

L`

497*10



6

(1542,5 )

6

1,5

1,1 39 * 1 0 m2/s

0,0 1 3* 0,13 * 0,06 6 1,48 60 * 1,1 39 * 1 0

La longitud relativa de sedimentación en flujo laminar, corregida en la longitud de transición Lc será: LcL L`201,48 1 8,52

Velocidad crítica de asentamiento: V s c 

S cv

0

Senθ LcCosθ



1*187,10 1 8,47 m/d Sen60º1 8,52 * Cos60 º

El valor de Vsc debe ser comparable con la carga convencional superficial de diseño que para flóculos de sulfato de aluminio es de 14 a 22 m/d

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Ejemplo de Aplicación (continuación) Número de Reynolds: v0 * d Re  



0,1 3 * 0,06 6

60 * 1 . 1 39 * 1 0

114

Se fija como valor máximo de Reynolds 500; por tanto el valor determinado es aceptable. Tiempo de retención en las placas: l 1, 20  9,23min t 0,13 v0 Los valores máximos estarán entre 15 y 25 min Tiempo de retención en el tanque de sedimentación: V A*H t   Q Q Altura: Altura de placas (1,20 x Sen 60º) = 1,04 m Altura del agua sobre las placas = 0,45 m (asumido) Altura por debajo de las placas = 1,51 m (asumido) Altura total = 3,0 m A * H 1 3,33 * 3,0 t 26,7min Q 0,025* 60 Dimensionamiento: Para el área calculada de 13,33 m2, utilizando una sola hilera de placas de ancho D igual a 2,44 m (2,35 m efectivos por el efecto de empotramiento), el ancho “b” del sedimentador será: B D 2,35 m La longitud del sedimentador AS será: A 1 3,33 Ls 5,67 m b 2,35 Número de placas: Para una separación entre placas de 6 cm y el espesor de las mismas de 1 cm, el número de placas será: N s L Senθ d 5 ,67 * Sen 60º  0,06  71 placas d  e 0,06 0,01

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10.3.3.5 Filtración en Múltiples Etapas(FiME) La filtración en múltiples etapas FiME, está dentro del concepto del tratamiento en múltiples barreras, sin uso de sustancias químicas para la coagulación. El proceso final de desinfección se lleva a cabo a través de la filtración lenta y la desinfección química de seguridad (aplicación de niveles bajos de cloración). FiME la conforman unidades de filtración. Comprende los procesos de desarenación, presedimentación, sedimentación, filtración gruesa dinámica, filtración gruesa de flujo horizontal, filtración gruesa de flujo vertical, filtración lenta y desinfección, como opciones las cuales, el proyectista elegirá de acuerdo a las características de la calidad del agua, ámbitos del proyecto y al concepto de sostenibilidad en el tiempo. La Filtración Múltiple Etapa puede estar conformada por dos o tres etapas principales de filtración, dependiendo del nivel de contaminación de la fuente. En la opción de tres etapas: Filtración Gruesa Directa FGDi, Filtración Gruesa FG y Filtración Lenta en Arena FLA, la FG puede obviarse con fuentes de buena calidad. La FGDi se orienta a la reducción de sólidos suspendidos (remoción de partículas más grandes). A medida que el agua avanza en las siguientes etapas se prioriza la remoción de partículas más pequeñas y microorganismos. 

Filtro Grueso Dinámico (FGDi).

Está compuesto de una capa de grava fina en la parte superior y otra más gruesa en contacto con el sistema de drenaje en el fondo. El agua pasa sobre la grava y parte de ella es captada a través del lecho, pasando a la próxima fase de tratamiento. Su obstrucción por los sólidos recibidos será gradual y ante cambios bruscos la colmatación será más rápida y en tal caso el flujo no filtrado escurrirá sobre el lecho colmatado y retornará a la fuente protegiendo de ésta manera las etapas de tratamiento más difíciles de operar y mantener. 

Filtro Grueso (FG)

Corresponde a la segunda etapa del tratamiento. Según el sentido de flujo en los lechos de grava puede ser ascendente (FGA), descendente (FGD) u horizontal (FGH) 

Filtro Grueso Ascendente (FGA).

Es un compartimiento donde se ubica un lecho filtrante; el cual disminuye de tamaño con la dirección del flujo, un sistema de drenaje ubicado en el fondo de la estructura que distribuye el flujo durante la carrera de filtración o drena los lechos de grava durante las actividades de limpieza hidráulica, con base a descargas frecuentes de lodo. La longitud y distribución de las capas de grava presenta dos alternativas: La filtración Gruesa Ascendente en Capas (FAGC) cuando los lechos de grava son instalados en una misma unidad o estructura y la Filtración Gruesa Ascendente (FGAS) en Serie, cuando los lechos de grava son instalados es dos o tres unidades de filtración, 148

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cada una conteniendo un tamaño predominante de grava, que decrece en le sentido del flujo. 

Filtro Grueso de Flujo Descendente en Serie (FGDS).

Consta de tres compartimientos con gravas que van de gruesas a finas en el sentido del flujo. 

Filtro Grueso de Flujo Horizontal (FGH).

Consta de uno o varios módulos que conforman tres compartimientos separados por una pared perforada. Su operación y mantenimiento son exigentes por lo que se dispone de una variante; el Filtro Grueso Horizontal en Serie (FGHS) 

Filtro Lento en Arena (FLA).

Consiste en un tanque con un lecho de arena fina colocada sobre una camada de grava que constituye el medio soporte y de transición. En el fondo del filtro se encuentra el sistema de drenaje constituido por ladrillos o bloques de concreto poroso. a) Selección del sistema de tratamiento La selección basa en la interrelación de los parámetros: turbiedad (UNT), color verdadero (UCV) y la concentración de Coliformes Termoresistentes (UFC/ 100 ml) presentes en las aguas crudas. La Tabla 10.14 muestra los criterios de selección. Tabla 10.14: Criterios para la selección del sistema de tratamiento del agua or Filtración en Múltiples Etapas FiME (1 Coliformes Termorresistentes (UFC/100 ml)

Turbieda d (UNT) Color Real (UC)

< 500 500 – 10 000 10 000 – 20 000 (2)

< 10

10 – 20

20 – 50

50 – 70(2)

< 20

20 - 30

30 - 40

30 – 40(2)

Sin FGA (B)(3) FGAC(0.6) (M) FGAC(0.6) (A)

FGAC(0.6) (M) FGAC(0.6) (M) FGAC(0.45 ) (A)

FGAC(0.45) (A) FGAC(0.45) (A) FGAC(0.45) (A)

FGAS3(0.3) (A) FGAS3(0.3) (A) FGAS3(0.3) (A)

FGA: Filtración Gruesa Ascendente. FGAC: Filtración Gruesa Ascendente en Capas. FGAS3: Filtración Gruesa Ascendente en Serie de 3 etapas. (1) Todas las opciones de pretratamiento inclusive aquella sin FGA, incluye dentro de sus componentes de tratamiento, FGDi con velocidad de filtración 2,0 m/h y FLA con velocidad 0,15 m/h. (El Subíndice del pretratamiento indica la velocidad de filtración recomendada en m/h). (2) Para valores superiores a 70 UNT; 20 000 UFC/100 ml o 40 UC, se recomienda realizar estudio en planta piloto. Clasificación de fuentes según rango de calidad (concentraciones): (B) Baja; (M) Media; (A) Alta Fuente: CINARA 1999

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b) Unidades de Filtración Gruesa Dinámica Corresponden a dos o más módulos operados paralelamente con flujo descendente donde cada unidad es empacada con lechos de grava de tamaño variable en el rango de grueso en el fondo y a fino en la superficie, véase Figura 10.13.

Válvula control caudal de entrada Vertedero de excesos Reglilla de aforo

Lechos de Grava

Vertederos de rebose

Vertedero

Vf

Qi

Caudal rebose

Caudal Filtrado Caudal Afluente .. A desague

Cámara para remoción de material grueso Agua de lavado Tuberia perforada para

Válvula de apertura rápida

recolección y drenaje

Figura 10.13: Filtro Grueso Dinámico 

Componentes principales del FGDi El

Filtro Grueso Dinámico está compuesto de: o o o o o 

Cámara de filtración. Lechos filtrantes y de soporte Estructuras de entrada y salida Sistema de drenaje y cámara de lavado Tuberías y accesorios de regulación y control.

Cámara de filtración

Zona donde se realiza el proceso de tratamiento, normalmente la altura total del filtro es de 0,70 m, con paredes verticales construidas en mampostería o concreto reforzado. 

Lechos filtrantes y de soporte

El medio filtrante está conformado por tres capas de grava con tamaños que varían entre 3,0 y 25,0 mm. La grava de fondo como la intermedia funcionan como lechos de soporte, el tamaño de la grava

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del lecho de soporte, varía según el tamaño de la grava superficial y del diámetro de los orificios del múltiple recolector. Los criterios recomendados por Cinara – IRC, establecen conservar la estratificación propuesta en la Tabla 10.15, la cual sirve de guía para el diseño de filtros gruesos dinámicos. Tabla 10.15: Guías de diseño para filtros gruesos dinámicos Criterio Valores recomendados Período de diseño (años) 8 – 12 Período de operación (h/d) (*) 24 Velocidad de filtración (m/h) 2–3 Número mínimo de unidades en paralelo 2 2 Área de filtración por unidad (m ) < 10 Velocidad superficial del flujo durante el lavado 0.15 – 0.3 superficial (m/s) Lecho filtrante - Longitud (m) 0.6 - Tamaño de gravas (mm) Según Tabla 10.16 Altura de vertedero de rebose (m) (**) 0.03 – 0.05 (*) En estaciones de bombeo de agua con periodos de operación inferiores a 24 h/d, se recomienda proyectar un almacenamiento de agua cruda, a partir del cual se suministre agua de manera continua al FGDi y demás componentes del FiME. (**) Medidos a partir del lecho superficial de grava fina.

Tabla 10.16: Especificaciones del lecho filtrante recomendado para filtros gruesos dinámicos Posición en la Unidad Espesor de la Capa (m) Tamaño de Grava (mm) Superior 0.20 3.0 – 6.0 Intermedio 0.20 6.0 – 13.0 Inferior, Fondo 0.20 13.0 – 25.0 Los filtros gruesos dinámicos, reducen la concentración de material suspendido, parámetros microbiológicos y fisicoquímicos. Véase la Tabla 10.17 en la cual se establece la reducción típica de estos parámetros.

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Tabla 10.17: Eficiencia remocional Parámetro Sólidos Suspendidos Turbiedad

Color Real Hierro, Manganeso Coliformes Termorresistentes

Reducción típica Entre el 70 y el 80 %, con fuentes en el rango de 10 a 200 mg/l Entre 30 y el 50 % en fuentes de zona plana. En fuentes de ladera, la remoción fue aproximada al 50%. La eficiencia de remoción es afectada por la naturaleza, tamaño y distribución de las partículas. Entre 10 y 25 %, con fuentes en el rango entre 15 y 20 UPC. Entre 40 y 70 % como hierro total y entre el 40 y 60 % para manganeso. Entre 50 y 80 %, para niveles de Coliformes Termorresistentes en el agua cruda en el rango 2 000 a 100 000 UFC/100 ml y sólidos suspendidos entre 10 y 50 mg/l

Para el diseño de los filtros gruesos dinámicos, deberá considerarse el área superficial de la unidad As en m2.

A s=

Qd

Vf

= b * l

A 〈 10 m por cada módulo 2

s

Donde: Qd Caudal de diseño en m3/h Vf Velocidad de filtración seleccionada en m/h b Ancho en m l Largo en m El ancho de la unidad es un parámetro que depende de la velocidad superficial Vs que varía entre 0,15 m/s (cuando predominan limos y material orgánico) y superiores a 0,2 m/s (cuando predominan arenas y arcillas). Se calcula el largo en m, por la siguiente relación:

l

s

=A

b

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Ejemplo de Aplicación Determinar el área requerida por un Filtro Grueso Dinámico para tratar un caudal de 25 l/s. Calcular las dimensiones de los filtros. Por razones de operación y mantenimiento se deben diseñar al menos 2 unidades. El caudal de cada unidad será de 12,5 l/s (0,0125 m3/s)

Adoptando una velocidad de filtración de 3 m/h, el área superficial del filtro será: A  Qd  0, 0125 * 3600  1 5 m 2 s Vf 3

A  s

10 m2 por cada módulo

Necesariamente se deben tomar 3 unidades de filtración:  8,33 * 1 03 * 3600  1 0 m 2 d A  Q    s Vf 3

s

A 10 m 2 por cada módulo

Longitud de la unidad de filtración: Asumiendo un ancho de 1,30 m 10 l  As  7,69m b 1,30 Considerando una altura del vertedero de rebose de 0,04 m, la velocidad superficial del flujo durante el lavado superficial será de 8,33 * 10 3 0,1 6m/s V s  Q  1,30 * 0,04 A Aceptable en consideración a lo recomendado (0,15 – 0,30 m/s) La altura total del filtro está en función a la altura del lecho (3 capas de 0,20 cada una), según Tabla 10.16, más la revancha. La altura H será: H = 0,70 m Construidas con mampostería estructural o concreto reforzado.

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c) Unidades de Filtración Gruesa Ascendente Está conformado por una sola unidad, Filtración Gruesa Ascendente en Capas (FGAC), ésta es empacada con lechos de grava de diferente tamaño en el rango de gruesa en el fondo, a fina en la superficie. Véase Figura 10.14. Cámara de salida Agua sobrenadante

Agua Tratada

Tapón para evitar entrada aire, durante el lavado Rebose Afluente, viene del FGDi Efluente Válvula para Limpieza

Sistema de distribucion y drenaje

Figura 10.14: Filtro Grueso Ascendente Estas unidades favorecen la acumulación de sólidos en el fondo del filtro, donde se encuentra localizado el sistema de drenaje. El Filtro Grueso Ascendente está compuesto de: o o o o o o

Cámaras de filtración con 1, 2 ó 3 compartimientos. Lecho filtrante Estructuras de entrada y salida Sistema de drenaje y cámara de lavado Accesorios de regulación y control. Dispositivos para la limpieza superficial

La altura total del filtro está determinada por la altura del lecho de grava, normalmente ésta altura está entre el rango de 1,1 a 1,5 m. Se debe construir con concreto reforzado. Conformado por 5 capas de grava con tamaños diferentes, cuya variación esta entre 25 y 1,6 mm en la dirección del flujo y distribuidas en 1,2 ó 3 compartimentos. La capa de grava de 0,20 a 0,40 m en contacto con el sistema de drenaje, conforma el lecho de soporte.

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Los criterios recomendados por Cinara – IRC, están basados en la experiencia con unidades experimentales y plantas a escala real. La Tabla 10.18 contiene los criterios guía. Tabla 10.18: Guías de diseño para Filtros Gruesos Ascendentes Criterio Valores recomendados Período de diseño (años) 8 – 12 Período de operación (h/d) (*) 24 Velocidad de filtración (m/h) 0,3 – 0,6 Número mínimo de unidades en serie: - FGAC 1 - FGAS 2–3 Área de filtración por unidad (m2) < 20 Lecho filtrante: Longitud total (m) - FGAC 0,6 – 0,90 - FGAS 1,15 – 2,35 Tamaño (mm) Según Tabla 10.19 Lecho de soporte total - Longitud (m) 0,30 – 1,25 Tamaño (mm) Según Tabla 10.19 0,10 – 0,20 Altura del sobrenadante de agua (m) Carga estática mínima de agua para lavado en contra flujo (m) 3,0 Fuente: CINARA 1999

Tabla 10.19: Lecho filtrante recomendado para Filtros Gruesos Ascendentes Altura (m) Tamaño de grava (mm) 19 - 25 13 - 19 6 - 13 3-6 1,6 - 3 Total (m) Soporte Lecho Filtrante

FGAC

FGAS2

FGAS3

0,30* 0,20–0,30 0,15–0,20 0,15–0,20 0,10–0,20

1 2 0,30* 0,30– 0,45 0,20* 0,30– 0,45 0,15* 0,30–0,45 0,25–0,40

0,30* 0,15 0,45–0,75

2 3 0,20* 0,15* 0,15* 0,15* 0,15* 0,40-0,70 0,15* 0,45-0,75

0,30

0,30

0,30

0,50

0,60–0,90 0,60– 0,90 * Lecho soporte

0,35 0,55-0,85

1

0,60–0,90

0,40-0,70 0,45-0,75

FGAS2: Filtración Gruesa Ascendente en Serie de 2 etapas FGAS3: Filtración Gruesa Ascendente en Serie de 3 etapas

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0,45

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Los filtros gruesos de flujo ascendente constituyen la segunda etapa de tratamiento, y minimizan el número de partículas gruesas disminuyen la concentración de las más pequeñas. Véase la Tabla 10.20 en la cual se establecen los parámetros y la reducción típica para estos filtros. Tabla 10.20: Eficiencias típicas de tratamiento por Filtros Gruesos Ascendentes Parámetro Reducción típica Sólidos Suspendidos Alcanza hasta el 95%; 90 % es el valor comúnmente reportado en fuentes con altos contenidos de material suspendido (50 a 200 mg/l), en fuentes con material suspendido en el rango entre 5 a 50 mg/l, se reporta remociones del 50 al 90 % Entre 50 y 80 % en Fuentes superficiales de valle, siendo Turbiedad mayores para los FGAS en Fuentes superficiales de ladera la remoción esta en el rango de 50 y 90 % Color Real Entre 20 y 50 % Hierro, Manganeso Alrededor del 50 % Coliformes Reducciones entre 0.65 y 2.5 Unidades Log siendo mayor para Termorresistentes FGAS, tratando con contaminación bacteriológica de 20 000 a 100 000 UFC/100 ml y contenidos de sólidos suspendidos entre 20 y 200 mg/l. La menor eficiencia se presentó con fuentes de calidad bacteriológica entre 500 y 20 000 UFC/100 ml

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Ejemplo de Aplicación El agua de una comunidad presenta las siguientes características:  Turbiedad: 35 UNT  Color: 25 UC  Coliformes Termorresistentes: 400 UFC/100 ml Determinar el área requerida por un Filtro Grueso Ascendente en Capas para tratar un caudal de 4 l/s. Según la Tabla 10.14 para los contenidos de turbiedad, color y coliformes termorresistentes, corresponde seleccionar un Filtro Grueso Ascendente en Capas, con una velocidad de filtración ascendente de 0,6 m/h Razones de operación y mantenimiento señalan que se deben diseñar al menos 2 unidades. El caudal de cada unidad (una unidad en serie), será de 2 l/s (0,002 m3/s) A=

Qd 0,002 * 3600 = = 1 2 m2 s Vf 0,6

Largo de la unidad; considerando unidades cuadradas: L = 3,46 m Ancho de la unidad:

B = 3,46 m

Altura de la unidad; estará en función a las alturas de cada capa Si se seleccionan los valores de Tabla 10.19 se tendrá: Grava 19 – 25 mm Grava 13 – 19 mm Grava 6 – 13 mm Grava 3 – 6 mm Altura de medio filtrante:

156

0,30 m (soporte) 0,20 m 0,20 m 0,20 m 0,90 m

Bordo libre

0,3 m

Altura total:

1,20 m

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d) Unidades de Filtración Lenta en Arena (FLA) Son unidades de baja velocidad de filtración que no requieren sustancias químicas y permiten reducir virus, bacterias, protozoarios o huevos de nemátodos dañinos para la salud pública. Dichas unidades reducen materia fina orgánica e inorgánica, la cual es retenida en el lecho de arena. Compuestos orgánicos disueltos son más o menos degradados, dependiendo de su naturaleza. La Figura 10.15 muestra los componentes del filtro lento de arena.

Estructura de entrada A

I G Nivel de agua

Afluente

Estructura de Salida

J

H K

C B Capa Filtrante Lecho de soporte

E

Lecho filtrante

A gua Filtrada .. Desague

D Pared Rugosa Sistema de drenaje Clave: A: Dispositivo para control de entrada de agua pretratada y regular la velocidad de filtración. B: Dispositivo para drenar capa de agua sobrenadante C: Conexión para llenar lecho filtrante con agua limpia producidas por otras unidades de Filtración Lenta en Arena. D: Válvula para drenar lecho filtrante. E: Válvula para desechar agua tratada. F: Válvula para suministrar agua tratada al tanque de contacto y posteriormente al depósito de agua limpia G: Vertedero de entrada. H: Indicador calibrado de flujo. I: Vertedero de salida J: Válvula para control de flujo a la salida ( solo para FLA con control de salida )

Figura 10.15: Filtro Lento de Arena

Un Filtro Lento en Arena FLA, consta de los siguientes elementos: o o o o o 

Caja de filtración y su estructura de entrada. Lecho filtrante. Capa de agua sobrenadante. Sistema de drenaje, que incluye lecho de soporte y cámara de salida. Conjunto de dispositivos para regulación, control y rebose de flujo.

Caja de filtración y estructuras de entrada La altura total del FLA estará entre 1,80 m y 2,10 m, dependiendo del espesor de la capa de arena, la altura sobrenadante y del sistema de drenaje empleado. La altura del sistema de drenaje puede ser de 0,25 m hasta 0,50 m.

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La velocidad de entrada al sistema de filtración lenta debe ser menor a 0,10 m/s 

Capa de agua sobrenadante En un filtro con control a la entrada, la carga inicial es cercana a 0,05 m, valor que gradualmente se incrementa hasta alcanzar el nivel máximo, oscilando entre 0,60 y 0,80 m.



Capas de grava: Espesor: 0,10 – 0,15 m Tamaño efectivo: 9 – 19 mm Espesor: 0,05 m Tamaño efectivo: 2 – 9 mm



Capa de Arena Gruesa: Espesor: 0,05 m Tamaño efectivo: 1,0 - 1,4 mm



Capa de Arena de Filtro Espesor: 0,80 m Tamaño efectivo: D10= 0,15 – 0,30 mm



Calidad de Agua La calidad del agua tratada por una unidad FLA debe tener la mejor calidad, con bajos niveles de turbiedad, color, metales pesados, sustancias tóxicas. Es necesario aclarar que la turbiedad coloidal no es removida por las unidades, debiendo aplicarse procesos de coagulación.

La unidad de filtración debe permitir el paso del agua a través del lecho de arena a razón de 0,1 a 0,3 m3/m2-h. La velocidad no debe variar significativamente, por lo que el caudal a filtrar puede ser controlado a la salida o a la entrada. El sobrenadante, tendrá una profundidad máxima del orden de 0,75 m. La unidad de filtración opera con velocidades cercanas a 0,15 m/h, pudiendo sobrecargase hasta 0,2 ó 0,3 m/h, solo durante períodos cortos.

Existen diferentes criterios de diseño en base a la experiencia de autores y países. Véase Tabla 10.21.

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Tabla 10.21: Criterios de diseño recomendados por autores y países

Criterio de diseño Período de diseño (años) Período de operación (h/d) Velocidad de filtración (m/h) Altura de arena (m) Inicial Mínima Diámetro efectivo (mm) Coeficiente de uniformidad Aceptable Deseable Altura del lecho de soporte incluye drenaje (m) Altura de agua sobrenadante (m) Borde libre (m) Área superficial máxima por módulo (m2)

Recomendación Huisman and Ten States Visscher Cinara, Wood (1974) Standards et al. USA IRC (1997) Colombia (1987) (1987) n.e. n.e. 10 - 15 8 – 12 24 n.e. 24 24 0,1-0,4 0,08-0,24 0,1-0,2 0,1-0,3 1,2 0,7 0.15-0.30

0,8 n.e. 0.15-0.35

0,9 0,5 0.30-0.45

0,8 0,5 0.15-0.30

<3 <2 n.e.

≤2.5

n.e. 0,4-0,6

<5 <3 0,3-0,5

<4 <2 0,25

1-1,5 0,2-0,3 n.e.

0,9 n.e. n.e.

1 0,1 <200

0,75 (*) 0,1 <100

(*) Con desarrollo exponencial en la pérdida de carga en estudios a nivel piloto n.e.: no especificado.

Tabla 10.22: Guía de selección de los procesos de tratamiento sistema de Filtración de Múltiples Etapas

Etapa de tratamiento y distribución

Sedimentación o filtro grueso dinámico Prefiltración (gruesa en 3 etapas) Filtración lenta en arena Desinfección

Turbidez

Coliformes termorresistentes o E. Coli

Eficiencia de remoción (%)*

Valor promedio U.N.T.

Valor máximo recomendable U.N.T.

Eficiencia de remoción (%)*

Valor promedio U.F.C./100 ml.

Valor máximo U.F.C./100 ml.

50

60

600

50

1 000

10 000

80

30

300

90

500

5 000

> 90

6

60

95

50

500

N.A. *

<1

<5

> 99,99

<3

25

<1

<1

Agua tratada en el sistema de N.A. * <1 <5 N.A. * distribución (red) * Remociones esperadas en cada etapa para cumplir los objetivos del tratamiento Fuente: Barry Lloyd, Gerardo Galvis, Rafael Eurovique N.A.: No aplicable. Adaptado de: Filtración en Múltiples Etapas CINARA – IRC; 1999

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Para la determinación del número de módulos de filtración, se podrá emplear la siguiente fórmula:

n0 . 5 *

3

A

Donde: n

Número total de unidades rectangulares operando en paralelo A Área superficial total en m 2

El dimensionamiento de los módulos de filtración partirán de la determinación de la longitud total de pared, dada por la expresión: Lt p 2 * n πA

 0.5 Donde: Ltp Longitud total de pared en m n Número total de unidades de filtración A Área superficial de cada unidad en m2 π Número Pi = 3,1416

Ltp2 * b * na * ( n1) Donde: Ltp Longitud total de pared en m n Número total de unidades de filtración b Ancho de la unidad en m a Longitud de pared común por unidad en m b

a 1

n

2

n*b 0.5

2 * n * A  a   n1

0.

(n 1) * A 5 b    2 * n 

Donde: a Longitud de pared común por unidad en m A Área superficial total en m2 n Número de unidades b Ancho de la unidad en m

160

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L m

n 1) 1) ]0.5 =2 * a * ( + = [2 * 2 * n * A * ( n +

Donde: Lm Longitud total mínima de pared en m a Longitud de pared por unidad en m n Número de unidades A Área superficial total en m 2 Podrán optarse diferentes formas geométricas, basado en consideraciones topográficas, geomecánicas y disponibilidades de terreno.

161

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Ejemplo de Aplicación Diseñar filtros lentos para un caudal de 2 l/s, teniendo en cuenta que los valores de la Tabla 10.22 señalan que la calidad del agua al ingreso de la unidad debe tener las siguientes características:  

Turbiedad: Coliformes Termorresistentes:

60 UNT (Máximo valor recomendable) 500 U.F.C./100 ml (Valor máximo)

El agua tratada en el sistema de distribución debe cumplir lo exigido en la NB 512 Agua Potable – Requisitos Área de filtración necesaria: Según CINARA e IRC, los valores más adecuados de las velocidades de filtración son de 0,10 a 0,30 m/h. Asumiendo un valor de velocidad de filtración de 0,15 m/h, el área de filtración para una unidad será: As 

Qd _________________ 0,002 * 3600  48 m V 0,1 5

2

f

Nº de unidades n0 , 5 * 3 A 0,5 * 3 48 1,82

Se considerarán 2 unidades. El caudal por cada unidad será de 1 l/s (0,001 m3/s) y el área por unidad de filtración será de 24 m2.

Dimensiones: 0,5

0, 5

2 * n * A 2 * 2 * 24   a   21  n1 0.5

b

162

5,66m 0,5

(n 1 ) * A  2 1 * 244,24m      2 * 2   2 * n  

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Ejemplo de Aplicación (continuación) Altura total: La altura total se determinará en base a las alturas parciales indicadas en Tabla 10.21.    

Altura de lecho soporte incluyendo drenaje: Altura del lecho de arena: Altura de sobrenadante: Bordo libre:

Altura total:

0,25 m 0,80 m 0,75 m 0,10 m

1,90 m

Lecho filtrante: Altura: Tamaño efectivo: Coeficiente de uniformidad:

1,05 m 0,15 a 0,30 mm 3,0

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CAPITULO 11 – DESINFECCIÓN EN SISTEMAS DE AGUA POTABLE

11.1 DEFINICIÓN La desinfección es el proceso mediante el cual se adicionan substancias químicas al agua para inactivar los microorganismo de tal forma de que el agua logre ser apta para consumo humano.

11.2 DESINFECCIÓN DEL AGUA PARA CONSUMO HUMANO Para realizar el adicionamiento de los desinfectantes al agua, se emplean los siguientes equipos dosificadores: 

Dosificador de flujo y carga constante Tipo I: consiste en un recipiente plástico o de fibra de vidrio con un flotador dosificador. Véase las Figuras 11.1 y PL-AP-14-01. Esto dosificador requiere mantenimiento constante para mantener el recipiente con bastante solución y evitar obstrucciones en la manguera de cloración. Listón Fibrocemento

Viga

Celosía de ladrillo Grifo Clorador

Tubería de alimentación

Puerta metálica

Salida solución

Mesón de H°A°

Losa de tapa tanque Tubería PVC c/embudo

Figura 11.1: Dos de carga constante Tipo I

164

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

Dosificador de flujo y carga constante Tipo II: consiste de dos recipientes, el primero o superior para cargar la solución y el segundo o inferior para dosificar la solución con carga constante. Véase las Figuras 11.2 y PL-AP14-02. Asbesto-cemento Listón 2" x 2"

Tanque de solución

Pared de ladrillo

Tablones Viga 3" x 2" Dosificador Válvula de flotador PVC ø 1/2" De la aducción

Losa tapa tanque de almacenamiento

Tubería de alimentación al dosificador PVC ø 1/2"

Microgrifo

N.A.

Figura 11.2: Hipoclorador de carga constante Tipo II 

Dosificador en línea: es un equipo conectado a la línea de salida del tanque de almacenamiento que emplea el concepto del Tubo de Venturi para dosificar la solución directamente a la tubería. Véase la Figura 11.3.

165

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Calamina Listón 2" x 2"

Tanque de solución

Pared de ladrillo

Tablones Viga 3" x 2" Dosificador Válvula de flotador PVC ø 1/2" De la aducción

Tubería de alimentación al dosificador PVC ø 1/2" A la red

Del tanque Venturí

Figura 11.3: Hipoclorador en línea 

Dosificador con bomba eléctrica: este dosificador realiza la inyección de la solución del desinfectante hacia una cámara de contacto o directamente a una tubería que conduce agua. Debe ser calibrado y automatizado para inyectar la solución en la proporción necesaria y para el caudal que se esta desinfectando. Los dosificadores eléctricos pueden ser accionados por bombas de diafragma o pistón; en la Figura 11.4 se presenta un ejemplo de dosificador de diafragma o membrana. Los dosificadores eléctricos son favorablemente empleados en sistema de impulsión y plantas de tratamiento.

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Dosificador Tubo de conducción de hipoclorito

Red eléctrica

Tubo de aspiración hipoclorito Potenciometro Filtro Sonda de nivel Solución de hipoclorito

A la red de distribución

Figura 11.4: Dosificador eléctrico de membrana 

Dosificador a erosión: consiste en hacer pasar agua en contacto con pastillas de cloro para preparar una solución clorosa; posteriormente, la solución es inyectada directamente a la tubería que conduce el agua. En la Figura 11.5 se aprecia un esquema de un modelo comercial Depósito de agua

Flotador Pastillas de cloro

Entrada agua Figura 11.5: Dosificador de cloro por erosión 

Dosificador de gas cloro: es un equipo que inyecta gas cloro al agua a través de difusores en cámaras de contacto o, mediante boquillas-inyectores en el

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caso de tuberías que conducen agua. En cualquiera de los casos, el dosificador es básicamente una bomba que inyecta o airea el cloro de garrafas comerciales dentro del agua. En la Figura 11.6 se aprecia un esquema de un modelo comercial. Válvula reguladora de caudal

Válvula de apertura

Válvula antiretorno

Filtro Manómetro

Dosificador

Flotador Filtro Depósito

Gas cloro

Figura 11.6: Dosificador eléctrico de gas cloro

La desinfección puede ser realizada empleando diferentes substancias químicas oxidantes; sin embargo, las más corrientes para poblaciones menores a 10.000 habitantes en Bolivia son: Hipoclorito de sodio e hipoclorito de calcio. El hipoclorito de calcio ofrece ventajas por su contenido de cloro activo (70%), haciendo que la operación de aplicación sea menos dificultosa, frente al manejo de soluciones de hipoclorito de sodio con 8 al 15 % de cloro activo. El rendimiento de la desinfección depende del valor del pH. Debe estar entre 6.5 y 8.5. Con estos valores se garantiza mayor formación de ácido hipocloroso y mayor eficiencia en el proceso de desinfección. El hipoclorito de calcio, para su aplicación requiere de recipientes de preparación, las mismas que servirán para sedimentar el material insoluble (cal) y un recipiente de dosificación o unidades de dosificación (dosificadores de flujo constante o bombas dosificadoras). Se debe diseñar la infraestructura adecuada para los recipientes de solución. La dosificación máxima de cloro se debe obtener en laboratorio mediante la determinación del punto de quiebre, así como la cantidad de cloro residual libre. Cuando no es posible hacer esta determinación, se puede aplicar 1 mg/l de hipoclorito de calcio como mínimo y ajustarla gradualmente para obtener 0,2 a 0,5 mg/l de cloro residual libre en el punto más alejado de la red. Debe considerarse para el diseño que cualquiera de los sistemas de desinfección requiere de mantenimiento periódico mensual.

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11.2.1 Cálculo del peso de hipoclorito de calcio o sodio. P=Q*d P Q d

Peso de cloro en gr/h Caudal de agua a clorar en m3/h Dosificación adoptada en gr/m3

11.2.2 Cálculo del peso del producto comercial.

Pc

P * 100 r

Donde: Pc Peso del producto comercial en gr/h r Porcentaje del cloro activo que contiene el producto comercial (%).

11.2.3 Cálculo de la demanda horaria de solución.

Pc

* 100 q s =c

Donde: Pc Peso del producto comercial en kg/h qs Demanda horaria de la solución en l/h, asumiendo que la densidad de1 litro de solución pesa 1 kg c Concentración de la solución (%) El valor de qs permite seleccionar el equipo dosificador requerido.

11.2.4 Cálculo del volumen de la solución. Vs = qs * t Donde: Vs Volumen de la solución en litros l (correspondiente al volumen útil de los recipientes de preparación). t tiempo de uso de los recipientes de solución en horas h Se debe especificar el tiempo t en ciclos de operación de 6 horas (4 ciclos), 8 horas (3 ciclos) y 12 horas (2 ciclos) correspondientes al vaciado de los recipientes y carga de nuevo volumen de solución.

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Ejemplo de Aplicación Determinar el volumen de solución de hipoclorito de calcio al 10% para dosificar un caudal de 10 l/s de agua con una concentración de 2 mg/l. Emplear hipoclorito de calcio comercial en polvo con 75% de concentración. Datos:

d= Q= r= c=

2 mg/l = 2 gr/m3 = 0,2 % (concentración deseada en el agua) 10 l/s = 36 m3/h 70 % (porcentaje de cloro activo en el hipoclorito de calcio comercial). 10 % (concentración de la solución liquida de hipoclorito de calcio)

Paso 1: Determinar el peso de hipoclorito necesario P = Q * d = 36*2 = 72 gr/h (requerimiento de cloro activo por hora)

Paso 2: Determinar el peso de hipoclorito comercial Pc =

P *100 72 * 100 =

r

=

75

96 gr/h (cantidad de hipoclorito comercial por hora)

Paso 3: Cálculo de la demanda horaria de solución liquida (considerando que la solución de hipoclorito tiene una densidad de 1 gr/l) q c

c Por tanto:

170

s

P * 1 0 0 9 6 * 100 = = 10

960 l/h

Se requieren 960 litros de solución de hipoclorito de calcio por hora para desinfectar el agua con una dosis de 2 mg/l. La solución preparada fue al 10%.

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11.3 TECNOLOGÍAS APROPIADAS PARA LA DESINFECCIÓN DEL AGUA Para poblaciones del área rural, donde no se dispone de sistemas de agua potable se emplean los siguientes sistemas de desinfección doméstica del agua con tecnología apropiada: a) Bidón Claro Este sistema emplea un bidón plástico de 20 lts para el almacenamiento del agua y adicionalmente un recipiente con hipoclorito de sodio al 6%. Se emplea 5 ml de hipoclorito para desinfectar los 20 lts de agua para un tiempo de contacto de 30 minutos. Véase la Figura 11.7.

1) Solución de hipoclorito de sodio 2) Dosificación en el bidón CLARO

3) Tiempo de contacto 1/ hora. Luego puede 2 ser empleada el agua

Figura 11.7: Desinfección del agua mediante la técnica CLARO

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b) SODIS La Desinfección Solar del Agua (SODIS en sus siglas en inglés), consiste en la exposición del agua contenida en una botella transparente al sol directo durante 4 a 6 horas (se recomiendan la botellas plásticas PET); tiempo después del cual, la radiación ultravioleta y la elevada temperatura inactivan las bacterias y otros microorganismos patógenos. Se requiere que el agua tenga una turbiedad menor a 5 NTU y las botellas sean incoloras - transparentes. Véase la Figura 11.8.

(

(

Usar botellas de plástico transparentes y tapas limpias. Lavar y enjuagar bien las botellas y tapas.

( Poner las botellas en el techo ( Llenar las botellas con agua clara sin burbujas y tapar bien.

(

o en el suelo sobre la calamina. Poner al sol desde la mañana hasta la tarde, si el día estuvo nublado dejar un día más.

(

Dejar enfriar y tomar en vaso limpio.

Figura 11.8: Desinfección del agua mediante la técnica SODIS

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CAPITULO 12 - TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE AGUA 12.1 DEFINICIÓN Los tanques de almacenamiento son estructuras civiles destinadas al almacenamiento y regulación del agua. Tienen como función mantener un volumen adicional como reserva y garantizar las presiones de servicio en la red de distribución para satisfacer la demanda de agua. Los criterios, parámetros y fórmulas para el diseño se encuentran expuestos en el Capítulo 8 de la Norma Boliviana NB-689 y en el Reglamento Técnico de Diseño de Tanques de Almacenamiento para Sistemas de Agua Potable.

12.2 TIPOS DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO Los tanques pueden ser clasificados de diferentes formas, a continuación se presentan las formas típicas: a) Considerando la ubicación sobre el terreno Los tanques pueden esta localizados en tres posiciones:   

Tanques superficiales Tanque elevados Tanques enterrados y semienterrados

b) Considerando el tipo de alimentación (véase Figura 12.1)  

Tanques de cabecera (regulación) Tanques de compensación (cola)

c) Considerando el tipo de material de construcción      

Hormigón Ciclópeo Hormigón Armado Ferrocemento Metálicos Plásticos (polímeros) Ladrillo

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Q TR Nivel Estático

N.M.A. N.M.U.

Pérdida de carga Pérdida de carga H. max.

Tanque superficial de cabecera

H. min.

TR N.M.A.

Nivel Estático

N.M.U. Pérdida de carga

Pérdida de carga

H. max. H. min.

Cabecera Tanque elevado de cabecera

TR N.M.A. N.M.U.

TR: Tanque de Regulación. L.P.: Linea Piezométrica. N.M.A.: Nivel Máximo de Agua. N.M.U.: Nivel Mínimo Util.

H. min.

Cabecera Tanque elevado de compensación.

Figura 12.1: Clasificación de tanques por el tipo de alimentación

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12.3 CAPACIDAD DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO La capacidad del tanque de almacenamiento, debe ser igual al volumen que resulte mayor de las siguientes consideraciones: a) Volumen de regulación b) Volumen contra incendios c) Volumen de reserva Se admite que el proyectista realice análisis técnicos que justifiquen otros criterios para la determinación del volumen o capacidad de almacenamiento.

12.3.1 Volumen de regulación El cálculo del volumen puede ser realizado de dos formas: a) Curvas de consumo En el que se toma en cuenta la curva de variaciones horarias de la demanda en el día de máximo consumo, la curva de consumos acumulados y las características del sistema (gravedad, bombeo, funcionamiento continuo, discontinuo, etc). b) Coeficientes empíricos Para sistemas por gravedad, el volumen del tanque de regulación debe estar entre el 15% a 30% del consumo máximo diario. Se empleará el mayor valor cuando el caudal máximo horario sea muy alto respecto al caudal medio diario (demanda instantánea elevada) y/o cuando el periodo de no uso del agua sea prolongado. Para sistemas por bombeo, el volumen del tanque de regulación debe estar entre el 15 a 25% del consumo máximo diario, dependiendo del número y duración de las horas de bombeo, así como de los horarios en los que se realicen dichos bombeos. Para cualquiera de los casos el volumen debe ser determinado utilizando la siguiente expresión: Vr =C * Qmax.d * tr Donde: Vr C

tr

Volumen de regulación en m3 Coeficiente de regulación Sistemas con tanque semienterrado 0,15 a 0,30 Sistemas con tanque elevado 0,15 a 0,25 Qmax.d Caudal máximo diario en m3/d Tiempo en días tr = 1 día como mínimo

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12.3.2 Volumen contra incendios Este volumen está destinado a garantizar un abastecimiento de emergencia para combatir incendios. El cálculo del volumen contra incendios no es obligatorio para poblaciones menores a 10.000 habitantes, sin embargo, el proyectista determinará su empleo en función de la importancia de la zona a servir, de la densidad poblacional y principalmente las posibilidades de ocurrencia. El volumen contra incendios debe ser calculado para un período de 2 a 4 hrs mediante la siguiente expresión: V = 3,6 * Qi * ti i Donde: Vi Qi ti

Volumen contra incendios en m3 Caudal contra incendios en l/s Tiempo en horas (entre 2 a 4 hrs)

Para poblaciones menores a 10.000 habitantes y con densidades menores o iguales a 100 hab/hectárea, el caudal contra incendios podrá considerarse hasta un máximo de 10 l/s a la salida del tanque y en la red principal con hidrantes. El caudal asignado dependerá de las posibilidades de ocurrencia, clima y el tipo de viviendas del lugar, que deberán ser estudiadas por el proyectista. 12.3.3 Volumen de reserva Este volumen prevé el abastecimiento de agua durante las interrupciones accidentales de funcionamiento de los componentes del sistema situados antes del tanque de almacenamiento, o durante períodos de reparaciones y mantenimiento de obras de captación, conducción, tratamiento y/o en casos de falla en el sistema de bombeo. Se determina mediante: Vre =

3 ,6 * Q * máx.d

tre

Donde: Vre Volumen de reserva en m3 Qmax.d Caudal máximo diario en l/s tre Tiempo de reserva en horas (entre 2 a 4 horas)

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Ejemplo de Aplicación Determinar el volumen de un tanque de almacenamiento de agua para una población de 10.000 habitantes y caudal máximo diario de 14 l/s. El sistema es por gravedad y se prevé construir el tanque sobre una loma. Datos:

P= 10.000 habitantes Qmax-d = 14 l/s = 0,014 m3/s C = 0,30 (valor asumido para tanques semienterrados) tr = 1 día (periodo de regulación - asumido) ti = 4 hr (tiempo contra incendios – asumido) tre = 4 hrs (tiempo de reserva para mantenimiento - asumido)

Paso 1: Determinar el volumen de regulación Vr = C * Q

* t = 0,30 * 0,014 * 86400 = 362,9 m 3 r

max.d

Paso 2: Determinar el volumen contra incendios V = 3 , 6 * Q * t = 3,6 * 1 0 * 4 = 144 m i

i

3

i

Paso 3: Determinar el volumen de reserva V = 3,6 * Q re

Por tanto:

* t = 3,6 * 1 4 * 4 = 201,6 m re

3

máx.d

El volumen de almacenamiento será igual al volumen mayor, es decir, al volumen de regulación = 362,9 m3. Constructivamente se podrá adoptar un volumen igual a 370 m3.

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CAPITULO 13 – REDES DE DISTRIBUCIÓN 13.1 DEFINICION Las redes de distribución constituyen el conjunto de tuberías, válvulas, accesorios y otros elementos necesarios para el suministro del agua potable a los usuarios del sistema. Los criterios, parámetros y fórmulas para el diseño se encuentran expuestos en el Capítulo 9 de la Norma Boliviana NB-689 y en el Reglamento Técnico de Diseño de Redes de Distribución para Sistemas de Agua Potable. 13.2 TIPOS DE REDES Existen básicamente tres tipos de redes: a) Red abierta o ramificada: constituida por tuberías que tienen la forma ramificada a partir de una línea principal; puede emplearse en poblaciones semidispersas y dispersas o cuando por razones topográficas o de conformación de la población no es posible un sistema cerrado. b) Red cerrada o anillada: La red está constituida por tuberías que tienen la forma de circuitos cerrados o anillos, puede aplicarse en poblaciones concentradas y semiconcentradas mediante redes totalmente interconectadas o redes parcialmente interconectadas. c) Red mixta o combinada: cuando por las características topográficas, pueden aplicarse en forma combinada redes cerradas y redes abiertas.

13.3 FORMAS DE DISTRIBUCIÓN Las formas de distribución típicas son: a) Distribución por gravedad: se aplica cuando la obra de captación y/o tanque de almacenamiento se encuentra en un nivel superior a la red de distribución y se garantice presión suficiente en toda la red. Véase Figura 13.1.

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Tanque de almacenamiento

Tubería de conducción

Red de distribución

Obra de Toma Tanque de almacenamiento Estación de bombeo Tubería de conducción

Tubería de impulsión

Red de distribucion

Figura 13.1: Distribución por gravedad

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b) Distribución por bombeo: puede aplicarse cuando la ubicación de la obra de captación o tanque de almacenamiento no garantiza presión suficiente en toda la red, por lo que es necesario utilizar dispositivos y equipos que impulsen el agua a través de la red. Véase Figura 13.2.

Campo de pozos Tanque de almacenamiento A la red de distribución

Tubería de impulsión

Red de distribución

Figura 13.2: Bombeo directo a la red con tanque de almacenamiento

13.4 DISEÑO DE REDES DE AGUA POTABLE La red de distribución debe calcularse para el caudal máximo horario o para el caudal máximo diario más la demanda contra incendios (para poblaciones menores a 10.000 habitantes no es obligatoria la demanda contra incendios), utilizando para el diseño el mayor valor resultante.

13.4.1 Determinación de caudales en redes cerradas Para la determinación de los caudales en redes cerradas existen diferentes métodos, los más apropiados para poblaciones menores a 10.000 habitantes son: a) Método de densidad poblacional El caudal en el nudo es: Q =i Qp * Pi

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Donde: Q i Caudal en el nudo “i” en l/s Qp Caudal unitario poblacional en l/s-hab Qt Qp= Pt Qt Caudal máximo horario en l/s Pt Población total del proyecto en hab Pi Población de área de influencia del nudo “i” en hab

Ejemplo de Aplicación Determinar el caudal en un nudo de la red, considerando que alrededor del mismo se piensa servir a 250 habitantes y la población tiene en total 8500 habitantes. Se ha estimado un caudal máximo horario de 16,5 l/s. Datos:

Pt = 8500 habitantes Pi = 250 habitantes Qt = Qmax-h = 16,5 l/s

Paso 1: Determinación del caudal unitario poblacional Q 1 6,5 Q p = =t 8500 Pt

0,00194 l/s - hab

Paso 2: Determinación del caudal en el nudo “i” Qi = Q p * Pi= 0,00194*250= 0,485 l/s

b) Método de longitud unitaria El caudal en el tramo es: Qi = q * L i Donde: Q i Caudal en el tramo “i” en l/s q Caudal unitario por metro lineal de tubería en l/s-m Qt q= Lt Qt Caudal máximo horario en l/s Lt Longitud total de tubería en m Li Longitud el tramo “i” en m

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Ejemplo de Aplicación Determinar el caudal en el tramo “i” de 150 m de longitud en una red cuya longitud total es de 8750 m. Se ha estimado un caudal máximo horario de 16,5 l/s. Datos:

Lt = 8750 m L i = 1 50 m Qt = Qmax-h = 16,5 l/s

Paso 1: Determinación del caudal unitario por metro lineal Q t q = = = 0,0 0189 l/s − m L 8750 1 t Paso 2: Determinación del caudal en el tramo “i” 6 , 5 Qi = q * Li= 0,00189*150= 0,284 l/s

c) Método del número de familias El caudal en el nudo es: Q = q *N u fn

n

Donde: Qn Caudal en el nudo “n” en l/s qu Caudal unitario en l/s-familia Qt qu= N f Qt Caudal máximo horario en l/s Nf Número total de familias Nfn Número de familias en el área de influencia del nudo “n”.

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Ejemplo de Aplicación Determinar el caudal en el nudo “i” para alimentar un área de 50 familias considerando que existen en total 1700 familias en el proyecto. Se ha estimado un caudal máximo horario de 16,5 l/s. Datos:

Nf = 1700 familias N fn = 50 familias Q t = Q max-h = 16,5 l/s

Paso 1: Determinación del caudal en el nudo qu =

Q f

t

=

= 0,009 7 l/s − familia

N1700

1

6 , “i” Paso 2: Determinación del caudal en el nudo 5 Q n = qu * Nfn= 0,0097*50= 0,485 l/s

13.4.2 Determinación de caudales en redes abiertas Para la determinación de caudales en redes abiertas debe considerarse el número de conexiones: a) Para redes con más de 30 conexiones domiciliarias debe aplicarse uno de los métodos para redes cerradas. b) Para redes con menos de 30 conexiones domiciliarias debe determinarse el caudal por ramal, utilizando el método probabilístico o de simultaneidad, basado en el coeficiente de simultaneidad y el número de grifos. El caudal por ramal es: Q Donde:

ramal

=K*∑Qg

Qramal Caudal de cada ramal en l/s K Coeficiente de simultaneidad K ≥ 0,20 (véase Tabla 13.1). K

1 (x − 1)

x

número total de grifos en el área que abastece cada ramal x >= 2

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Qg

Caudal por grifo (l/s) Qg ≥ 0,10

Tabla 13.1: Valores del coeficiente K de simultaneidad N° de grifos 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

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K 1,00 0,71 0,58 0,50 0,45 0,41 0,38 0,35 0,33 0,32 0,30 0,29 0,28 0,27 0,26

N° de grifos 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

K 0,25 0,40 0,40 0,30 0,20 0,20 0,10 0,10 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20

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Ejemplo de Aplicación Determinar los caudales en los Tramos 1, 2 y 3 de un ramal que alimenta a 5 grifos en una población rural como se muestra en la figura siguiente: G3

G5

G2 G1

3

2

1 G4

Datos:

x= 5 grifos Qg = 0,1 l/s (caudal mínimo por grifo)

Paso 1: Determinación del caudal en el Tramo 1 Existen 2 grifos, por tanto K = 1 (véase Tabla 13.1) Entonces:

Qtramo1 =K*∑Qg=1*(0,1+0,1)=0,2 l/s

Paso 2: Determinación del caudal en el Tramo 2 Existen 4 grifos, por tanto K = 0,58 (véase Tabla 13.1) Entonces:

Qtramo2 =K*∑Qg=0,58*(0,1+0,1+0,1+0,1)=0,232 l/s

Paso 3: Determinación del caudal en el Tramo 3 Existen 5 grifos, por tanto K = 0,50 (véase Tabla 13.1) Entonces:

Q tram o2 0,50 * (0,1 0,1 0,1 0,1 0,1) 0,25 l/s =

+

+

+

+

=

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3.4.3 Caudal en piletas públicas. En el caso de piletas públicas el caudal debe ser calculado con la siguiente expresión: 1 Dc* C * Fu * Q p p =N * p 24 Ef Donde:

Qpp N

Dc Cp

Ef Fu

Caudal máximo probable por pileta pública en l/h Población a servir por pileta. Un grifo debe abastecer a un número máximo de 5 familias (25 personas). Considerando que una pileta puede estar constituida por dos grifos N = 50 personas. Dotación promedio por habitante en l/hab-día Porcentaje de pérdidas por desperdicio: Estas pérdidas son generadas por los usuarios durante los procesos de recolección de agua (manipuleo de recipientes, llenado de los mismos, etc). El coeficiente Cp varía entre 1,10 y 1,40. Eficiencia del sistema considerando la calidad de los materiales y accesorios. Ef varía entre 0,7 y 0,9 Factor de uso, definido como Fu = 24/t. Depende de las costumbres locales, horas de trabajo, condiciones climatológicas, etc. Se valúa en función al tiempo real de horas de servicio (t) y puede variar entre 2 a 12 horas.

En ningún caso, el caudal por pileta pública debe ser menor a 0,10 l/s.

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Ejemplo de Aplicación Determinar el caudal máximo probable de una pileta pública que abastece a 50 personas durante 6 horas diarias efectivas. Estímese para una dotación promedio de 12 l/hab-día Datos:

N = 50 personas D c = 12 l/hab-día Cp = 1,25 (valor asumido) Ef = 0,8 (valor asumido) t= 6 horas Qg = 0,1 l/s (caudal mínimo por grifo)

Paso 1: Determinación del factor de uso

24 24 Fu= ______ = =4 t 6 Paso 2: Determinación del caudal máximo probable D 1 12 1 c 50 * * 1,25 * 4 * Q p p N * 4 2 = * C p * Fu *E = 24 0,8 f Qpp = 156,25 l/h = 0,043 l/s < 0,10 l/s Entonces, el caudal mínimo de diseño será 0,10 l/s

13.4.4 Análisis hidráulico de las redes de distribución Dos aspectos deben ser considerados para el análisis hidráulico de las redes de distribución: a) El método de cálculo hidráulico de las tuberías, pudiéndose emplear cualquiera de los señalados en el Capítulo de Aducciones. El método de Flamant es preferible para diámetros pequeños, aunque en general el método de Hazen-Willians es ampliamente empleado. b) El método para la estimación de la cantidad y dirección del flujo del agua dentro de las redes de distribución. Podrá emplearse algunos de los siguientes métodos:    

Método de Hardy Cross. Método de Newton-Raphson. Método matricial. Otros métodos equivalentes.

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Sin embargo en la actualidad son ampliamente empleados paquetes informáticos con diferentes lógicas y estructuras matemáticas para la resolución de redes de distribución. Entre los paquetes más empleados y con buen éxito están: LOOP y BRANCH del Banco Mundial, el WaterCad de Haestad Methods y el EPANet de la Environmental Protection Agency de Estados Unidos; los dos últimos también permiten la modelación de redes de agua cuando éstas son sujetas a evaluación, ampliación o mejoras.

13.5 ASPECTOS COMPLEMENTARIOS PARA EL DISEÑO DE REDES DE DISTRIBUCIÓN Algunos aspectos complementarios para el diseño de las redes de distribución son los siguientes: 13.5.1 Presión de Servicio Durante el período de la demanda máxima horaria, la presión dinámica mínima en cualquier punto de la red no debe ser menor a:

• • •

Poblaciones iguales o menores a 2.000 habitantes Poblaciones entre 2.001 y 10.000 habitantes Poblaciones mayores a 10.000 habitantes

5,00 m.c.a. 10,00 m.c.a. 13,00 m.c.a.

13.5.2 Velocidades La velocidad mínima en la red de distribución en ningún caso debe ser menor a 0,30 m/s para garantizar la autolimpieza del sistema. Para poblaciones pequeñas, se aceptarán velocidades menores, solamente en ramales de distribución. La velocidad máxima en la red de distribución no debe ser mayor a 2,00 m/s.

13.5.3 Diámetros mínimos Los diámetros mínimos de las tuberías principales para redes cerradas deben ser:  

En poblaciones menores a 2.000 habitantes En poblaciones de 2.001 a 20.000 habitantes

1” 1 1/2”

En redes abiertas, el diámetro mínimo de la tubería principal debe ser de 1”, aceptándose, en poblaciones menores a 2000 habitantes, un diámetro de 3/4” para ramales.

13.5.4 Profundidad y anchos de las zanjas La profundidad y el ancho esta en función con el diámetro de la tubería y del uso del suelo en el lugar de emplazamiento de la tubería. Los criterios para la construcción de las zanjas se presentan en la Tabla 13.2 y se muestran en la Figura 13.3.

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Tabla 13.2: Profundidad y ancho de zanja mínimos Uso del suelo

Profundidad (m) - p (1) 0,60 0,80

Ancho de zanja (m) - a Ø = 1/2” a 3” (2) Ø = 4” a 8” (2) 0,40 0,50 0,60 0,70

Calles área rural Áreas de cultivo y calles con tráfico liviano Calles con tráfico 1,00 0,60 pesado (1) Profundidad medida desde la clave de la tubería (2) El diámetro de la tubería corresponde a diámetro nominal

0,70

Recomendación En lugares donde la temperatura del ambiente es menor a 5°C debe incrementarse la profundidad.

p

Figura 13.3: Detalle del tendido de tubería y zanja

13.5.5 Conexiones Domiciliarias Conexiones domiciliarias se realizarán en diámetros de 1/2” o 3/4” para usuarios domésticos. Para usuarios con propósitos comerciales, industriales, sociales (escuelas) y oficiales (cuarteles) deberán adoptarse diámetros mayores en conformidad al caudal requerido. Todas las conexiones domiciliarias deberán disponer de medidores.

13.5.6 Piletas Públicas Las piletas públicas deben ser proyectadas solamente en caso de que el caudal de la fuente es insuficiente o en caso de que la dispersión de la comunidad no obligue por razones económicas. Las piletas públicas tendrán generalmente 1 ó 2 grifos, véase las Figuras 13.4 y PL-AP-21-05 a 21-07. Se aceptarán más grifos solamente en casos particulares como: canchas o áreas comunes de reunión de la comunidad y en el caso de servicios higiénicos colectivos como las lavanderías.

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Tubería Matriz

Collar de derivación

Unión rackor Cámara Guardallaves

Llave de paso

Unión universal A

A H°C° 1:3:3 50% Piedra desplazadora Drenaje Pozo de absorción (relleno con grava)

Planta Grifo

H°C° 1:3:3 50% Piedra desplazadora

Pedestal de H°A°

Lavabo o cubeta

Corte A-A Figura 13.4: Pileta pública

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13.5.7 Medidores de Agua Potable Pueden ser de dos tipos: 

Medidores domiciliarios o micromedidores: cuando se emplean para medir el caudal empleado por la conexión de algún suscriptor o abonado.



Medidores de alto caudal o macromedidores: empleados para medir los caudales que se producen en los sistemas de bombeo, plantas de tratamiento, tanques de almacenamiento o circuitos hidráulicos en las redes de distribución.

Todo diseño de proyecto, debe en lo posible (técnica y económicamente), prever la instalación de micromedidores para el control del consumo del agua. Los micromoedidores preferentemente deberán estar instalados fuera de la propiedad privada y protegidos mediante una caja metálica o de hormigón. Los macromedidores deben considerarse en poblaciones mayores a 2.000 habitantes a fin de disponer de datos de control para evaluar consumos y pérdidas en la red. Los tipos de macromedidores a emplearse para poblaciones menores a 10.000 habitantes podrán ser:  

Convencionales, con sistema de relojería plástica o de aluminio. Diferenciales, con sistema de medición a través de un micromedidor en paralelo a una tubería Venturi calibrada.

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CAPITULO 14 – BOMBAS MANUALES 14.1. DEFINICIÓN Las bombas manuales son dispositivos mecánicos, destinados a extraer agua, de un nivel inferior a otro superior accionados por la fuerza física humana. Las bombas manuales son alternativas viables para los pobladores rurales por su bajo costo y fácil operación y mantenimiento. Se deben utilizar solamente, cuando no existe posibilidad de suministrar agua por un sistema convencional.

14.2. TIPOS DE BOMBAS MANUALES Los tipos de bombas manuales más empleados en Bolivia son los siguientes:  Aspirantes  Impelentes - De acción directa (sin brazo de palanca) - De doble acción (con brazo de palanca o volante de inercia)  Por arrastre mecánico - Bomba Rosario o soga - Bomba balde a) Bombas aspirantes Las bombas aspirantes extraen el agua desde pequeñas profundidades creando un vacío parcial en la tubería de succión. Esta bomba depende de la presión atmosférica para que el agua llegue a la superficie. Véase Figura 14.1 El límite de operación esta fijado por la presión barométrica (a nivel del mar 10,4 m.c.a.) y la eficiencia de los sellos. En la Tabla 14.1 se muestran las profundidades límites de extracción de agua mediante bombas aspirantes.

Tabla 14.1: Profundidades límites de extracción de agua mediante bombas aspirantes, respecto a la altura sobre el nivel del mar Altura (m.s.n.m.) 0 1000 2000 3000 4000

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Profundidad límite de aspiración (m) 7,0 6,3 5,6 4,8 4,1

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La característica principal en esta bomba, es que las partes móviles están ubicadas en la parte superior de la bomba o cabezal, por encima de la superficie del terreno y solo el tubo de succión desciende en el interior del pozo. En el fondo se instala una válvula de pie o de admisión para mejorar su eficiencia.

Embolo Válvula de succión

Tuberia principal

La válvula de admisión es opcional en las bombas aspirantes

Figura: 14.1: Bomba manual Tipo Aspirante

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b) Bombas Impelentes Son bombas que cumplen con la función de impulsión del agua. Estas bombas tienen el cilindro sumergido por debajo del nivel del agua, el émbolo tiene diferentes longitudes de carrera y siempre tiene válvula de pie. Pueden ser de dos tipos: 

De acción directa: cuando no tienen palanca de operación o brazo de palanca, dejan el esfuerzo de extracción de agua directamente a la fuerza ejercida por el operador. Véase Figura 14.2.

Mango

Soporte de la varilla Empalme de cadena

Tubería principal

Pistón Cilindro

Válvula

Figura: 14.2: Bomba manual de Acción Directa

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

De doble acción: cuando la bomba tiene posibilidad de extraer agua tanto durante el movimiento de la varilla hacia arriba como hacia abajo. Véase las Figuras 14.3 y PL-AP-02-09.

Acción de arriba

Acción de abajo Mango

Surtidor

Surtidor

Tubo ascendente

Embolo

Chapaleta 2

Cilindro Chapaleta 1 Válvila de pie

Figura 14.3: Bomba Manual de Doble Acción

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c) Bombas por Arrastre Mecánico Son bombas manuales que permiten “halar” o “remolcar” el agua mediante medios mecánicos desde el nivel freático a la superficie del pozo. Estas bombas se caracterizan porque la fuerza ejercida por el operador es indirecta sobre el mecanismo de arrastre o remolque. Existen dos tipos de bombas que corresponden a esta clasificación: 

Bomba Manual Rosario o soga Está conformada por un volante de inercia construido de ruedas de goma, concreto simple o madera: a través del cual, se hala una cuerda con arandelas de goma a través de una tubería. Véase las Figuras 14.4 y PLAP-02-08.

Rueda Bomba manual Manivela Soporte (fierro o madera) Surtidor Tapa Drenaje

Brocal

Soga plástica Arandela de goma

Guiador

Grava

Figura 14.4: Bomba Manual Rosario

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

Bomba Manual Balde Esta conformada por un balde provisto de un pistón inferior de gran flujo. El balde es “remolcado” por una cuerda que gira alrededor de una bobina. Véase las Figuras 14.5 y PL-AP-02-07.

Manivela Soporte (madera)

Tapa

Drenaje

Brocal

Soga plástica

Balde Válvula de pie Grava

Figura 14.5: Bomba manual tipo balde

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14.3. CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE LA BOMBA MANUAL Los siguientes criterios principales deben ser considerados para la selección de las bombas manuales: a) Concepto BOMPO Las bombas manuales deben responder al concepto BOMPO (Bomba de Operación y Mantenimiento a nivel de POblado), sin requerir apoyo técnico externo. Entre las tecnologías desarrolladas y aplicadas en el país se tienen: Bombas tipo Balde, Bombas Rosario, Bombas tipo YAKU, Bombas AYNI, Bombas FLEXI -OPS, para pozos excavados o perforados. Los requisitos que debe cumplir una bomba para que este dentro del concepto BOMPO son: 

Debe ser de fácil mantenimiento y que el responsable de la comunidad pueda realizarlos con conocimiento mínimos y pocas herramientas.



Su fabricación local debe garantizar la disponibilidad de repuestos.



Debe tener garantía de funcionamiento en condiciones de trabajo.



Tener buena relación costo/beneficio.



Los materiales de su construcción deben ser resistentes a la corrosión y a la abrasión debido a la presencia de agentes químicos y arena en el agua.



Debe ser aceptada y demandada por la comunidad.

b) Profundidad del Nivel Freático La profundidad del nivel freático determinará el tipo de bomba manual a emplearse. En la Tabla 14.2 se presentan las profundidades recomendadas de operación para cada tipo de bomba. Tabla 14.2: Profundidades de operación recomendadas por tipo de bomba manual Tipo de bomba manual Aspirante Impelente de acción directa Aspirante/impelente de doble acción Bomba Rosario o soga Bomba balde

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Profundidades recomendadas de operación (m) • 3–6 • 6 – 15 • 10 – 40 (bomba EMA, Flexi/OPS, AYNI) • 15 – 30 • Hasta 12 m con tubería de 2” • Hasta 25 m con tubería de 1” • Hasta 12 m, volumen del balde 10 litros

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CAPITULO 15 – VÁLVULAS, TUBERÍAS Y ACCESORIOS 15.1 VÁLVULAS Las válvulas son dispositivos mecánicos destinados a interrumpir, controlar o regular el movimiento de un fluido dentro de una conducción a presión. Los criterios y condiciones para el diseño se encuentran expuestos en los Capítulos 6, 7 y 9 de la Norma Boliviana NB-689 y en el Reglamento Técnico de Válvulas, Tuberías y Accesorios para Sistemas de Agua Potable.

15.1.1 Clasificación de las válvulas La clasificación de las válvulas por el tipo de función es: a) Válvulas de bloqueo: Permiten aislar parte de un sistema o elemento. En este tipo de válvulas se pueden mencionar los siguientes tipos: compuerta, mariposa, aguja y esfera. b) Válvulas de estrangulamiento Permiten modificar el caudal de determinadas partes del sistema, constituyen también válvulas de regulación. Pertenecen a este tipo de válvulas las válvulas tipo globo, que normalmente son comerciales en diámetros pequeños. c) Válvulas de retención: Son válvulas que no permiten el flujo inverso, actúan en forma automática ante los cambios de presión para evitar que se invierta el flujo. El cierre se logra mediante el peso del mecanismo de retención o por la contrapresión cuando se invierte el flujo. Las válvulas de retención están disponibles en los tipos de bisagra, disco inclinable y de bola. d) Válvulas de regulación y control: Permiten modificar el caudal o presión de determinadas partes del sistema. Entre éstas se hallan las válvulas de flotador, las válvulas limitadoras de caudal, las válvulas reguladoras o reductoras de presión, estás últimas pueden ser clasificadas también como válvulas de protección. e) Válvulas de protección: Se destinan a usos específicos como ser; evacuación o ingreso de gases, protección contra golpe de ariete, etc. Dentro de éste tipo se pueden señalar: válvulas de alivio, ventosas, válvulas de entrada y purga de aire, válvulas anti-golpe de ariete. f)

Otras: Para el manejo de aguas con sólidos gruesos o finos hay tipos especiales de válvulas. Los tipos más comunes son en ángulo, fondo plano, macho, bola y diafragma y válvulas de opresión o compresión.

Las características de las válvulas más empleadas se describen en la Tabla 15.1.

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Tabla 15.1: Tipos de válvulas más empleadas

Válvula compuerta

Materiales de fabricación Bronce, Fierro fundido

Válvula mariposa

Bronce, Fierro fundido

Válvula de esfera

Bronce, PVC

Válvula globo

Bronce, aleaciones

Nombre de la válvula

Válvula check

de

retención Bronce, Fierro fundido, Fierro galvanizado

Válvula de alivio

Válvula ariete

diferentes

antigolpe

Fierro fundido

de Bronce, Fierro fundido

Válvula de purga de aire Fierro galvanizado, diferentes aleaciones

Válvula de pie

Bronce, galvanizado

Válvula flotador

Bronce, Bronce-PVC, aluminio-PVC

200

Fierro

Descripción y condiciones de uso Empleadas para abrir o cerrar por completo el paso de un fluido. El elemento móvil está constituido por un disco o cuña que se desplaza paralelamente al orificio de la válvula, a través de un eje o vástago el mismo que puede ser fijo o deslizante Se debe usar exclusivamente como válvulas de bloqueo, o abertura (100%) generando una mínima pérdida de carga. Se recomienda usarla en la red principal o aducción, ya sea como válvulas de bloqueo o purga (drenaje). Está constituida por un elemento móvil que consta de un disco que gira alrededor de un eje a través del cual se transmiten los movimientos de cierre y purga. En algunas ocasiones se usa como válvula reguladora de caudal, pero ésta práctica no es aconsejable por la tendencia a cavitar que tiene esta válvula. Se aconseja usarla solo como bloqueo en la red principal o aducción. Donde el elemento móvil es una esfera con una abertura diametral del mismo calibre de la tubería donde está instalada. En posición abierta minimiza las pérdidas de carga. Son empleadas como válvulas de bloqueo en instalaciones de plantas de tratamiento. No se aconseja su empleo en la red de distribución. En éstas válvulas el cierre se lleva a cabo mediante un tapón que se ajusta sobre un asiento cuyo orificio está en posición paralela al sentido de flujo. En sus diversas posiciones de abertura genera altas pérdidas de carga. Son usadas para regulación y control, existiendo una variedad de las mismas. Se emplean fundamentalmente en las conexiones domiciliarias. Permiten el paso del fluido en un solo sentido, cerrándose automáticamente por diferencia de presiones creada en el propio fluido, si hubiera tendencia a la reversión de flujo. Se emplean en los sistemas de bombeo, después de la descarga de cada bomba y a veces en la extremidad inferior de la tubería de succión. Estas válvulas se abren automáticamente cuando la presión interna alcanza un valor preestablecido, liberando fluido hasta la disminución de la presión a condiciones normales, en éste punto, la válvula se cierra por la acción de un resorte. Se emplean en las líneas de impulsión. Su aplicación se limita a tuberías de pequeña extensión, debido a su sistema de cierre que puede generar un golpe de ariete. Funcionan en forma similar a las válvulas de alivio, con la diferencia de que el cierre es lento debido a su sistema de amortiguación. Su uso esta extendido en las líneas de impulsión. Poseen una cámara con un flotador esférico que obtura un orificio localizado en la parte superior. Se instalan en las partes altas de los sistemas de aducción a presión o zonas de red elevadas. Existen válvulas denominadas de triple efecto que constan de dos cámaras con sendos flotadores. Estas válvulas además de expulsar aire de las tuberías, permiten la entrada y salida de cantidades considerables de aire en situaciones de vaciado y llenado de las tuberías principales (aducción, impulsión) Llamadas también válvulas de succión, son instaladas en la extremidad inferior de las tuberías de succión a objeto de mantener la bomba continuamente cebada. Generalmente están unidas a una rejilla o criba de protección. Constan de un flotador unido a una válvula de ingreso a través de un brazo móvil. Estas válvulas mantienen un

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Nombre de la válvula

Materiales de fabricación

Válvula reguladora de Fierro fundido, diferente presión aleaciones

Descripción y condiciones de uso predeterminado nivel en tanques y reservorios. Se abren cuando baja el nivel establecido y se cierran progresivamente conforme el nivel de agua retorna a su máxima posición. Para su empleo se deben tomar muy en cuenta las presiones de servicio a las que va a trabajar la válvula. Similares a las válvulas de alivio, poseen un mecanismo amortiguador que permite disminuir la presión en la tubería a una presión establecida. Su empleo se realiza en redes de distribución y líneas de aducción por gravedad para disminuir las sobrepresiones de trabajo.

15.2 TUBERÍAS Y ACCESORIOS Son dispositivos que permiten el transporte de agua de un punto a otro, en su diseño se debe tomar en cuenta la cantidad, calidad y presión de agua a conducir con el máximo de economía y en el momento deseado. Son de dos tipos:  

Tuberías: son los conductos cilíndricos a través de los cuales circula el agua. Accesorios: comprenden una gama de insumos para acoplar, direccionar y sellar las tuberías.

15.2.1 Tipos de Materiales para Tuberías y Accesorios El tipo de material de las tuberías y accesorios debe elegirse de acuerdo a las características que satisfagan las necesidades del proyecto y considerando los costos inicial y de mantenimiento así como la seguridad de la tubería. En la Tabla 15.2, se presentan las ventajas y desventajas de los distintos materiales empleados en las tuberías y accesorios para abastecimiento de agua potable.

201

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Tabla 15.2: Ventajas y desventajas de las tuberías y accesorios para el abastecimiento de agua potable Material

Policloruro vinil (PVC) (1)

de

Polietileno (PE) (1)

Diámetro comercial (mm) 12.5 a 250

12.5 a 100

Presión de trabajo por tipo de tubería (m.c.a.) - SDR-32.5 = 87,4 - SDR-26 = 112,5 - SDR-21 = 140,6 - Clase 6 = 60 - Clase 9 = 90 - Clase 12 = 120 - Clase 15 = 150 Esquema 40 = variable Esquema 80 = variable (diferentes presiones y espesores a pedido) - PE grado 33 = variable - Densidad 0,93 a 0,94 = variable

Ventajas -

-

Fierro Galvanizad o (FG)

Fierro Fundido (FF)

12.5 a 150

100 a 600 o mas a pedido

- < de 400

- < de 400

-

-

Fierro Dúctil (FD)

100 a 600 o mas a pedido

- < de 300

-

AsbestoCemento (AC)

24.5 a 600

- < 150

-

Acero (2)

Desde 50 a pedido

- Dependerá del espesor y las condiciones de fabricación. Comercialmente se tiene de 160 a 600

Desventajas

Excelente resistencia a la corrosión Liviana y de fácil manipuleo No sujeta a electrólisis Mínima carga por fricción Bajo costo dependiendo del tipo de tubería

Excelente resistencia a la corrosión Liviana y de fácil manipuleo Menor número de juntas No sujeta a electrólisis Mínima carga por fricción Bajo costo Buena resistencia a carga exterior

Buena resistencia a carga exterior Muy buena resistencia a la corrosión Admite presiones elevadas Buena resistencia a carga exterior Muy buena resistencia a la corrosión Mas liviana que el FF Buena resistencia a la corrosión Liviana y de fácil manipuleo No sujeta a electrólisis Mínima carga pro fricción Alta resistencia a la tracción Adaptable a zonas donde puede haber asentamiento

-

-

-

Solo puede funcionar hasta temperatura de 50°C Baja resistencia a la flexión Puede perforarse

Solo puede funcionar hasta temperatura de 50°C Puede perforarse o rasgarse No resiste alta presión Se hace quebradizo con el sol Poca elasticidad Precio elevado Sensible a corrosión incrustaciones Peso elevado Frágil Poca elasticidad Costo elevado

Poca elasticidad (pero mayor que el FF) Frágil (menos que el FF) Costo elevado Se deteriora en suelos ácidos Baja resistencia a la flexión Frágil

Baja resistencia a la corrosión Costo elevado Esta sujeta a electrólisis Corrosión extrema en suelos ácidos o alcalinos

(1) Las tuberías de PVC y Polietileno tienen diferentes capacidades de trabajo dependiendo de las normas de fabricación (2) La utilización de esta tubería, debe ser realizada con justificación técnico-económica (3) Las normas SDR (Standard Dimensional Rate), también conocidas como RDIE (Relación Dimensional Estándar)

202

la e

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CAPITULO 16 – OBRAS ESPECIALES EN SISTEMAS DE AGUA POTABLE 16.1. ANCLAJES PARA SISTEMAS DE AGUA POTABLE Los anclajes en las tuberías menores se emplearán en los siguientes casos: 

Se presentan cambios de dirección en codos horizontales de tramos enterrados o expuestos. Véase la Figura 16.1.

Tubería

2R

F

Figura 16.1: Anclaje en curva o deflexión

Se calculará mediante la siguiente expresión: F=2 * A *γ* p * sen

⎛α⎞ ⎜⎝

2⎠ ⎟

Donde: F A γ

p α

Fuerza o empuje resultante en kg Sección del tubo en m2 Peso específico del agua en kg/m3 Presión interna en m H2O Angulo de curva en grados sexagesimales °

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Ejemplo de Aplicación Determinar el empuje resultante sobre un codo de 45º y 3” de diámetro, si circula agua con una presión de 40 mca. D at os:

 = 4 5º γ= 1000 kg/m3 D= 3” = 0,075 m p= 40 m.c.a.

Paso 1: Determinación de la sección de la tubería o codo A

π * D2 π *0,075  4 4

2

 0,0044 m

2

Paso 2: Determinación del empuje sobre la cara exterior del codo F 2 * A * * p * sen   45   2 * 0, 0044 * 1000 * 40 * sen    γ  2  2  Entonces:



F = 134 kg

Existe una disminución de diámetro para cerrar del flujo (terminaciones de tuberías en los extremos de la red) o, es un cambio de dirección de 90º en conductos discontinuos. Véase la Figura 16.2. 2 R1

Tubería

2 R2

F

Figura 16.2: Anclaje en tee

204

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Para tées y terminaciones de tuberías: F=A *γ * p Donde: F A

Fuerza o empuje resultante en kg Sección del tubo en m2 Peso específico del agua en kg/m3 Presión interna en m H2O

γ

p

Ejemplo de Aplicación Determinar el empuje resultante sobre una tee de 3” de diámetro sometida a 40 m.c.a. Datos:

γ=

D= p=

1000 kg/m3 3” = 0,075 m 40 m.c.a.

Paso 1: Determinación de la sección de la tubería o codo A=

π * D2 π *0,075 = 4 4

2

=

0,0044 m

2

Paso 2: Determinación del empuje sobre la cara exterior de la tee F = A * γ* p = 0,0044 * 1000 *40 = 176 kg

Entonces:



F = 176 kg

Cuando las tuberías estén expuestas a la intemperie o adosadas a formaciones naturales de rocas o cuando estén colocadas en pendientes mayores a 60° respecto a la horizontal. Véase las Figuras 16.3 y PL-AP-2201.

205

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D

Figura 16.3: Anclaje superficial en bajante Se calcularán los anclajes considerando la siguiente expresión general:

F = F(PE) + F(PT)+ F(EC)+ F( GA) Donde:

F Fuerza o empuje resultante en kg F(PE) Fuerza debida a la presión del agua cuando se produce un cambio de dirección (codos o tees) en kg.

F( PE ) = A *γ * p Donde: A

Sección del tubo en m2 Peso específico del agua en kg/m3 Presión interna en m H2O

γ

p

F(PT) Fuerza o empuje debida al peso de la longitud de tubería entre cada anclaje en kg

F(PT) = Pp * sen(α ) * L Donde: α=

L=

206

Pp = Peso por metro lineal de la tubería en kg/m Angulo de inclinación del terreno en grados sexagesimales º Longitud entre anclajes en m

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F(EC)Fuerzadebidaalaenergíacinéticaovelocidad k n u g la e d

γ FEC( )

=

* Q * v

g

Donde: γ kg/m 3 g Q v

Peso específ ico del ag ua en Aceleración de la gravedad en m/s2 Caudal en m3/s Velocidad del agua m/s

F(GA) Fuerza debida al aumento de presión por golpe de ariete en kg La fuerza resultante F debe ser resistida por el peso total del anclaje cuando éste es superficial o por la resistencia del terreno cuando la tubería esta enterrada. a) Cuando el anclaje es superficial, la superficie de contacto es: S η* F ≥ λ Donde:

S F λ η

Superficie de contacto en m2 Fuerza resultante en kg Fricción entre el hormigón y la superficie del terreno en kg/m2 Coeficiente de fricción entre el hormigón y la superficie del terreno, los valores de η se presentan en la Tabla 16.1.

Tabla 16.1: Valores del coeficiente de fricción (η) entre el hormigón y terreno Tipo de suelo Arena gruesa y grava Arena y grava mezcladas con limo Arena y limo o grava y limo con alto contenido de arcilla Arcilla dura Arcilla blanda o limo

Coeficiente de fricción 0,5 – 0,6 0,4 – 0,5 0,3 – 0,4 0,25 – 0,4 0,2 – 0,3

b) Cuando el anclaje está enterrado, la superficie de contacto es: F A≥ σ Donde:

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A F σ

Superficie de contacto en m2 Fuerza resultante en kg Resistencia del suelo en kg/m2

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Una vez determinadas la dirección y magnitud de todas las fuerzas actuantes (en todos los casos, no actúan las mismas fuerzas), se procederá a calcular la posición y valor de la resultante. El dimensionamiento del anclaje deberá hacerse para asegurar su estabilidad al volcamiento, deslizamiento y asentamiento. Véase la Figura 16.4.

Figura 16.4: Solicitaciones en un anclaje

Terreno

Pletina

α

F Mf PA

d

R

O

Mr

e

superficial Por tanto, debe cumplirse con: 

R > F; es decir:

PA *1*cos(α)+ σ*s > F

α PA * cos( A 

)

σ = ____________________ ;

Mr > Mf; es decir : donde:

PA*e > F*d

σ = capacidad portante del suelo kg/cm2 A = superfície de contacto cm2 s = área resistente del anclaje (de la parte enterrada) em cm2

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Ejemplo de Aplicación Calcular la fuerza resultante sobre un anclaje superficial que protege una tee de 3” colocada en un terreno de alta pendiente (α = 60º) con una resistencia de 1,6 kg/cm2. La tubería está anclada cada 50 mts y el agua circula con una presión de 60 mca. Se estima que 15,4 l/s de agua circulan a 3,5 m/s. Datos:

γ= D= p= v= Q= L= α=

1000 kg/m3 3” = 0,075 m 60 m.c.a. 3,5 m/s 15,4 l/s 50 mts (distancia entre anclajes) 60 º (ángulo del terreno)

Paso 1: Determinación de la fuerza debida a la presión del agua Entonces, el área de la tubería= 0,0044 m2 F (PE)

=A*γ*p=0,0044*1000*60=264

kg

Paso 2: Determinación de la fuerza debido al peso de la tubería Si cada metro de la tubería de 3” pesa alrededor de 3 kg. Entonces: F(PT) = Pp * L*Sen(α) = 3*50*sen(60º) = 129,90 kg

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Ejemplo de Aplicación (continuación) Paso 3: Determinación de la fuerza debido a la velocidad del agua (energía cinética)

F EC

=γ

1000 *Q*v= * 0, 0154 * 3,5 = 5,5 kg ()g 9,81

Paso 4: Determinación de la fuerza total sobre el anclaje F =

F(PE) + F(PT) + F( EC) =264+129,9+5,5= 399,40 kg

Por tanto:

La fuerza que debe resistir el anclaje son 399,40 kg

Paso 5: Determinación del peso del anclaje 

Si:

r*PA *cos(α)> F: donde r = 0,40 (suelo areno-arcilloso)

Entonces PA =

F η* cos( α )

=

399 .4 0 .4 * cos(60 )

= 1997 kg

Por tanto se puede adoptar: 2000 kg si es completamente superficial. Sin embargo, bastará enterrar el anclaje > 10 cm para reducir el peso del mismo porque el terreno soportará la fuerza F. Paso 6: Determinación de la superficie de contacto mínima para la resistencia del terreno A=

PA * cos( α ) σ

=

2000 * cos(60º ) 1,60

625cm2

Por tanto el área de contacto mínima será de 625 cm2. Podrá adoptarse un anclaje con superficie mayor.

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Ejemplo de Aplicación (continuación)

Paso 7: Adopción del anclaje: Se enterrará 0,10 m; d = 0,06 y e = 0,20 m. Espesor 0,40 m. Por tanto, el nuevo peso del anclaje será: 149,6 kg

α=60

º F PA 0.80

O 0.25 e=0.20

Paso 8: Comprobación al volcamiento Si: PA*e > F*d; entonces: e > F*d/PA; 149.6*0.2 > 399.4*0.06; entonces: 29,92 kg-m > 23,96 kg-m Por tanto no volcará.

16.2. CRITERIOS TÉCNICOS PARA EL DISEÑO DE CRUCES DE CURSOS DE AGUA Existen tres tipos comunes de cruces de cursos de agua:   

Sifones invertidos Puentes rígidos Puentes colgantes

16.2.1 Sifones Invertidos Los sifones invertidos son conductos de agua que atraviesan depresiones topográficas por presión hidráulica. Esta estructura tiene aplicación para conducir el agua potable debajo de cursos de agua y quebradas. El diseño de esta estructura, se realiza mediante el análisis de las pérdidas de carga hidráulica entre el punto de entrada y salida, empleando la ecuación de Bernoulli:

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2

1

p1

v1  2g 7

2 7

g

2

Donde: v Velocidad del agua en m/s g Aceleración de la gravedad en m/s2 p Presión interna en la tubería en kg/m2 γ Peso específico del agua en kg/m3 Z Elevación o cota sobre un nivel de referencia conocido en m Subíndice 1 posición al ingreso del sifón Subíndice 2 posición a la salida del sifón Se estima aceptable la velocidad mínima en sifones es de 0,6 m/s.

Ejemplo de Aplicación Determinar la presión de salida en un sifón transversal a un río. La cota de ingreso es de 1000 m.s.n.m., la cota de salida es de 1020 m.s.n.m., la velocidad estimada es de 2 m/s y la presión de ingreso al sifón es de 40 m.c.a. γ= 1000 kg/m3 p= 40 m.c.a.= 4 kg/cm2 = 40000 kg/m2 Z1 = 1000 m Z2 = 1020 m v1 = v2 = 2 m/s g= 9,81 m/s2

Datos:

Paso 1: Determinación de la presión de salida Si

v 12

p v2p   1  Z 1   2  2 Z 2g 7 2g 7

v 2 p 1 ; entonces: p 2 1 Z  1 2 2g  

 22 40000    1000 p2 2 * 9,8 1 1000 

Por tanto:

212

v 22  Z * 2 2g 

 1020*1000 20 m   La presión del agua a la salida del sifón será de 20 mca. (presión estática). Deberá verificarse la pérdida de carga por la fricción en la tubería. 22 2* 9,8 1

v2 p 2 2 Z 

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16.2.2 Puentes Rígidos Los puentes rígidos son estructuras en hormigón armado o celosías de metal que permiten el paso del agua sobre alguna depresión natural o curso de agua. Los puentes rígidos se calculan estructuralmente considerando el peso propio de la estructura de soporte, el peso de la tubería, el peso del agua y la sobrecarga del personal de mantenimiento.

16.2.3 Puentes Colgantes Los puentes colgantes son estructuras compuestas por: pilares de soporte (H°C° o metal) y cables de sujeción de la tubería en hormigón armado o celosías de metal que permiten el paso del agua sobre alguna depresión natural o curso de agua. Los puentes colgantes se calculan considerando que el cable principal debe formar una catenaria. El principal estado de cargas (solicitación) en el puente, considerará los pesos propios de la tubería, cables y agua dentro de la tubería, debiéndose mayorar para prevenir el efecto de la vibración por el flujo del agua y la velocidad del viento. Ejemplos de puentes colgantes pueden ser vistos en los planos PL-AP-19-01 al PL-AP-19-08.

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GLOSARIO Acuífero. Estructura geológica estratigráfica sedimentaria, cuyo volumen de poros está ocupado por agua en movimiento o estática. Aducción. Conjunto de tuberías, canales, túneles, dispositivos y obras civiles que permiten el transporte de agua desde la obra de captación hasta la planta de tratamiento y/o tanque de almacenamiento o directamente a la red. Agua cruda. Agua superficial, subterránea o pluvial en estado natural. Agua potable. Agua que por su calidad física, química radiológica y microbiológica es apta para el consumo humano y cumple con las normas de calidad de agua. Agua freática. Agua subterránea más cercana a la superficie del suelo. Aireación. Proceso por el cual que se produce un contacto entre el aire y el agua a objeto de oxigenarla y/o remocionar gases y sustancias volátiles. Almacenamiento total. Volumen correspondiente a la capacidad de todos los tanques de distribución. Puede referirse a los tanques de almacenamiento de una única zona de presión o a los tanques de almacenamiento de todo el sistema de distribución. Área específica. En un sistema de distribución, es el área cuyas características de ocupación se tornan distintas de las áreas vecinas, en términos de concentración demográfica y de la categoría de consumidores presentes. Barrera múltiple. Inclusión de una o más etapas al tratamiento de las aguas. Estas etapas juntas remueven progresivamente los contaminantes para producir agua de uso y consumo humano. También conocido como “múltiples etapas de tratamiento”. Bomba manual. Dispositivo mecánico, destinado a extraer agua de un nivel inferior a otro superior accionados por la fuerza física humana. Calidad del Agua. Se expresa mediante la caracterización de los elementos y compuestos presentes, en solución o en suspensión, que desvirtúan la composición original. Cámara de bombeo. Depósito de agua, destinado a alojar el dispositivo de succión del equipo de bombeo. Se denomina también cárcamo de bombeo. Capacidad de almacenamiento. Volumen de agua que puede ser almacenado en un tanque. Capacidad específica. Relación entre el caudal extraído de un pozo y la profundidad o longitud de abatimiento, para un tiempo determinado, expresado en l/s-m. Captación. Estructura o conjunto de estructuras necesarias para obtener el agua de la fuente. Categoría de consumidor. Clasificación del consumidor o usuario de acuerdo con la actividad y uso que hace del agua y con la cantidad de agua consumida en una unidad de tiempo.

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Cámara de lodos. Compartimiento diseñado en forma y tamaño tal, que permita la acumulación y posterior extracción de lodos de las plantas potabilizadoras de agua. Caudal de distribución. Caudal de diseño, al cual se le incrementan las pérdidas que podrían presentarse en una red de distribución. Coeficiente de permeabilidad. Volumen de agua que pasa en una unidad de tiempo a través de una sección del material de área unitaria con un gradiente hidráulico unitario. Coliformes Termorresistentes. Grupo de bacterias que fermenta la lactosa a 44°C – 45 °C, comprendiendo el genero Escherichia y en menor grado especies de Klebsiella, Enterobacter y Citrobacter. Los termorresistentes distintos de E coli pueden proceder de aguas orgánicamente enriquecidas (efluentes industriales, materiales vegetales y suelos en descomposición). Coliformes Totales. Indicador microbiano de la calidad del agua de bebida. Se denominan:”organismos coliformes” (total de coliformes) siendo bacterias Gram –negativas que pueden desarrollarse en presencia de sales biliares u otros agentes tensoactivos, fermentando la lactosa a 35 °C – 37 °C, produciendo gas y aldehído en un plazo de 24 a 48 horas. Conexión domiciliaria. Conjunto de tuberías y accesorios que permiten la conducción del agua desde la red de distribución hasta el límite de propiedad del beneficiario. Consumo en la red. Cantidad de agua del sistema de distribución utilizada en una unidad de tiempo. Consumo máximo diario. Consumo máximo durante 24 horas observado en el período de un año sin tener en cuenta los gastos que se hayan presentado por razones de incendio, pérdidas, accidentes y fuerza mayor. Consumo máximo horario. Consumo máximo obtenido durante una hora en el período de un año sin tener en cuenta los gastos que se hayan presentado por razones de incendio, pérdidas, etc. Consumo medio diario. Consumo durante 24 horas, obtenido como promedio de los consumos diarios en el período de un año. Cribado o cernido. Proceso mediante el cual se retienen sólidos gruesos en rejas o cribas. Se denomina también desbaste. Desinfección. Proceso que permite la inactivación de microorganismos patógenos y no patógenos a través de la adición de sustancias desinfectantes (oxidantes). Dotación. Cantidad de agua que se asigna a un habitante para su consumo por día, expresado en (l/h - d). Escherichia coli. Pertenece a la familia de las enterobacteríaceas. Se desarrolla a 44°C – 45 °C en medios complejos, fermenta la lactosa y el manitol liberando ácido y gas; produce indol a partir del triptófano. Algunas cepas pueden desarrollarse a 37 °C pero no a 44 °C – 45 °C y algunas no liberan gas. La Escherichia coli se encuentra en las heces fecales de origen humano y animal. Se halla en aguas residuales, los efluentes tratados y todas las aguas y suelos que hayan sufrido una contaminación fecal reciente. Estación de bombeo. Conjunto de estructuras, instalaciones y equipos que permiten elevar el agua de un nivel inferior a otro superior, haciendo uso de equipos de bombeo. 216

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Filtración. Proceso físico de separación de materia en suspensión presente en el agua a través de un medio granular. Filtro o criba. Dispositivo en forma tubular colocado en formaciones acuíferas no consolidadas, para permitir la entrada de agua a un pozo en condiciones favorables. Floculación. Proceso físico en el que se producen contactos interparticulares, para formar posteriormente masas mayores denominadas flóculos. Flotación. Ascenso de sólidos en suspensión contenidos en el agua, utilizando un agente de flotación (burbujas de aire). Galería filtrante. Conducto horizontal construido en un medio permeable, para interceptar y recolectar agua subterránea que fluye por gravedad. Golpe de ariete. Fenómeno oscilatorio causado por el cierre rápido de válvulas o, por el paro repentino del sistema de bombeo, que da lugar a la transformación de la energía cinética del líquido en energía elástica almacenada tanto en el agua como en la tubería, provocando sobrepresiones y subpresiones, y que pueden originar la ruptura de la tubería. Lixiviado. Líquido de características físico – químicas y microbiológicas especificas proveniente de la deshidratación de los lodos. Lodo. Residuo semisólido o líquido proveniente del proceso de tratamiento de la aguas, formado a partir de los residuos sólidos suspendidos, coloidales y disueltos remocionados y acumulados en las unidades de tratamiento y que requieren ser tratados, transportados y dispuestos adecuadamente. Nivel dinámico. Distancia medida desde la superficie del terreno hasta el nivel de agua en el pozo producido por el bombeo. Nivel estático. Distancia desde la superficie del terreno hasta el nivel de agua en el pozo, no afectado por el bombeo. Nivel freático. Nivel de agua subterránea libre más cercano a la superficie del suelo. Nivel máximo útil. Mayor nivel que podrá ser alcanzado en el reservorio, controlado, por condiciones de operación que evitarán la pérdida de agua a través del rebosadero. Nivel mínimo útil. Es el menor nivel de agua que permitirá abastecer agua a la red de distribución durante las ocasiones en que el consumo es máximo. Obra de captación. Estructura o conjunto de estructuras necesarias para obtener agua de una fuente. Permeabilidad. Permeabilidad de un material o coeficiente de permeabilidad, es el volumen de agua que pasa en una unidad de tiempo, a través de una sección del material de área unitaria con un gradiente hidráulico unitario. Pileta pública. Infraestructura civil y accesorios localizados en lugar público, que permiten la distribución del agua a los usuarios o consumidores con fines domésticos. Planta de Tratamiento. Conjunto de obras civiles, instalaciones y equipos convenientemente dispuestos para llevar a cabo procesos y operaciones unitarias que permitan obtener aguas de calidad aptas para consumo y uso humano. Se denomina también Planta Potabilizadora de agua. GUÍA TECNICA DE DISEÑO DE PROYECTOS DE AGUA POTABLE PARA POBLACIONES MENORES A 10.000 HABITANTES

Porosidad. Medida del contenido de vacíos o intersticios en un medio, dada por la217

relación porcentual entre el espacio vacío y el volumen total. Pozo artesiano. Pozo que capta agua de un acuífero confinado, donde el nivel estático del pozo se eleva por encima del nivel superior del acuífero en la ubicación del pozo. Pozo profundo. Pozo excavado mecánicamente y luego entubado, del que se extrae agua en forma mecánica desde cualquier profundidad. Pozo somero. Pozo de agua generalmente excavado a mano, que sirve para obtener agua del nivel freático principalmente para uso doméstico. Prefiltro o empaque de grava. Capa de material granular (arena, gravilla o grava) colocada entre el filtro y la formación acuífera. Presión de servicio. Presión requerida para que el agua llegue al punto más desfavorable del sistema. Presión de rotura. Presión interna a la cual una tubería falla o se rompe. Presión dinámica. Diferencia entre la presión estática y las pérdidas de carga producidas en el tramo respectivo, en el momento de flujo máximo. Presión estática. Presión en un punto de la aducción o red considerando la ausencia de flujo en la misma o consumo nulo en la red. Red de distribución. Conjunto de tuberías, accesorios y dispositivos que permiten la entrega del agua a los consumidores en forma constante con presión apropiada y en cantidad suficiente para satisfacer sus necesidades. Sedimentación. Proceso físico de remoción de partículas presentes en el agua a tratar, considerando que las mismas tienen un peso específico mayor al del agua. Sistema de agua potable. Conjunto de estructuras, equipos, accesorios e instalaciones que tiene por objeto transformar la calidad del agua y transportarla desde la fuente de abastecimiento hasta los puntos de consumo, en condiciones adecuadas de calidad, cantidad y presión. Sistema de tratamiento. Denominado también como tren de tratamiento o simplemente tratamiento; es el conjunto de unidades de tratamiento dispuestas de forma tal que, son capaces de transformar el agua cruda en agua potable. Tanque de almacenamiento. Depósito situado generalmente entre la captación y la red de distribución destinado a almacenar agua y/o mantener presiones adecuadas en la red de distribución. Tanque de distribución. Componente del sistema de distribución de agua destinado a: regular las diferencias que se producen en un día entre el volumen de abastecimiento y el consumo, asegura el abastecimiento continuo durante períodos cortos de desabastecimiento y proporcionar presión al sistema de distribución. Tanque elevado. Depósito cuya cota de fondo es superior a la cota del terreno donde se halla ubicado. Tanque enterrado. Depósito que se sitúa enteramente en una cota inferior a la del terreno en el que está localizado. GUÍA TECNICA DE DISEÑO DE PROYECTOS DE AGUA POTABLE PARA POBLACIONES MENORES A 10.000 HABITANTES

Tanque semienterrado. Depósito que presenta por lo menos un tercio de su altura total 2 1 8 situada por debajo del nivel de terreno donde se encuentra localizado.

Tecnología alternativa. Solución técnica que permite la dotación de agua de consumo a través de instrumentos, mecanismos, construcciones y/o procedimientos simples, de bajo costo y rápida implementación. Se denomina también tecnología apropiada. Tratamiento con tecnología apropiada. Tratamiento que evita o minimiza el uso de sustancias químicas, a objeto de garantizar sostenibilidad en la operación y mantenimiento, considerando las limitadas capacidades técnico – económicas locales. Denominado también sistema de tratamiento de tecnología apropiada. Tratamiento convencional. Tratamiento que incluye la adición de compuestos químicos que favorecen el tratamiento, produciendo remociones de elementos y compuestos presentes en el agua. Consta de unidades de mezcla rápida, floculación, sedimentación, filtración y desinfección. Se denominado también sistema convencional. Tubería de conducción. Tubería comprendida entre la planta de tratamiento y/o el tanque de regulación y la red de distribución. Tubería de impulsión. Tubería comprendida entre la salida de la bomba y el tanque de almacenamiento o red de distribución. Tubería de limpieza. Tubería dispuesta de manera tal que permite el desagüe total y la limpieza del interior del tanque. Tubería de succión. Tubería comprendida entre la criba y la entrada a la bomba. Tubo de revestimiento externo. Tubo de material resistente, utilizado en la etapa de perforación de un pozo. Tubo de revestimiento interno. Tubo de material resistente utilizado para permanecer definitivamente en el pozo estableciendo una ligazón entre el filtro y a la superficie. Unidad de tratamiento. Estructura, equipos o accesorios necesarios para realizar un proceso físico - químico o biológico para la depuración del agua cruda.

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NOMENCLATURA BOMPO: Bomba de Operación y Mantenimiento a nivel de Poblado. ºC: Grados Celsius. CaCO3: Carbonato de calcio. CEPIS: Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente. CNPS: Carga neta de succión positiva, en inglés NPSH: Net Positive Suction Head. DBO5: Demanda Bioquímica de Oxígeno (5 días). DQO: Demanda Química de Oxígeno. FAGC: Filtración Gruesa Ascendente en Capas. FD: Filtración Directa. F.D.A.: Filtración Directa Ascendente. F.D.D.: Filtración Directa Descendente. F.D.A.D.: Filtración Directa Ascendente Descendente. FF: Fierro Fundido. FFD: Fierro Fundido Dúctil. FG: Filtración Gruesa. FGA: Filtración Gruesa Ascendente. FGAS: Filtración Gruesa Ascendente en Serie. FGD: Filtración Gruesa Descendente. FGDi: Filtración Gruesa Dinámica. FGDS: Filtración Gruesa de Flujo Descendente en Serie. FGH: Filtración Gruesa Horizontal. FiME: Filtración en Múltiples Etapas. FLA: Filtración Lenta en Arena. FLEXI-OPS: Prototipo de Bomba Manual. GPS: Global Position System (Sistema de Posicionamiento Global). IBNORCA: Instituto Boliviano de Normalización y Calidad. IGM: Instituto Geográfico Militar. INE: Instituto Nacional de Estadística. ISO: International Organization for Standarization. km: kilómetros. l/s: litros por segundo. l/hab-d: Litros por habitante día m: metros. m.c.a.: metros columna de agua. m.s.n.m.: metros sobre el nivel de mar. m/s: metros por segundo. max: máximo. med: medio. mg/l: miligramos por litro. mg/m3 : miligramos por metro cúbico. ml/l: mililitros por litro. mm: milímetros. NB: Norma Boliviana. NMP/100 ml: Número más probable por cien mililitros. OD: Oxígeno Disuelto. OMS: Organización Mundial de la Salud. OPS: Organización Panamericana de la Salud. pH: Potencial de Hidrógeno. PE: Polietileno PEAD: Polietileno de Alta Densidad. PVC: Polivinilo de Cloruro. SODIS: Desinfección solar (del Inglés Solar Disinfection)

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UC: Unidades de Color. U.C.V.: Unidad de Color Verdadero. UFC/100 ml: Unidades Formadoras de Colonia por 100 mililitros. UT = UTN = UNT: Unidad de Turbiedad; Unidad de Turbiedad Nefelométrica; Unidad Nefelométrica de turbiedad. UTM: Universal Transverse Mercator. UV: Ultra Violeta.

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ANEXO 1 ANÁLISIS BÁSICOS RECOMENDABLES PARA LA CARACTERIZACIÓN DE LAS FUENTES DE AGUA DESTINADAS A CONSUMO HUMANO EN POBLACIONES MENORES A 10 000 HABITANTES Nº

Parámetro

Análisis Físicos 1 Turbiedad 2 Color 3 Olor * 4 Sabor * 5 Temperatura 6 Sólidos totales disueltos 7 Sólidos totales suspendidos Análisis Químicos 8 Dureza total 9 Calcio 10 Magnesio 11 Manganeso 12 Hierro 13 Sulfatos 14 Cloruros 15 Fluoruros 16 Nitratos 17 Nitritos (1) 18 pH Análisis Bacteriológicos 19 Coliformes totales 20 Escherichia coli**(E. coli)

Análisis Complementarios 21 Demanda Bioquímica Oxígeno (DBO5) 22 Oxígeno disuelto OD

23 Conductividad

Unidad

Tiempo máximo de preservación recomendado (1)

U.N.T U.C. Escala Pt – Co °C mg/l mg/l

48 horas 48 horas 6 horas 24 horas In situ 14 días 6 meses

mg/l (Ca CO3) mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l -

6 meses 6 meses 6 meses 6 meses 28 días 6 meses 7 días 48 horas 24 48 horas 24 Las muestras deben 2 horas ser conservadas a baja temperatura. Nunca congeladas

NMP/100 ml *** NMP/ 100 ml***

de

mg/l

Realizar la determinación dentro de las 24 horas, previa conservación a 4 °C.

mg/l

Fijar in situ, analizar antes de las 8 horas y no exponer la muestra directamente al sol. Realizar la determinación dentro de las 48 horas.

µmhos/cm

(*) Debe ser inobjetable (1) Se debe analizar en el tiempo establecido para evitar la oxidación de los mismos. (**) Las concentraciones de coliformes termorresistentes (termotolerantes) están en relación directa con las de Escherichia coli (E. coli), por tanto pueden determinarse indistintamente y dependerá de las facilidades laboratoriales disponibles; Ref.: Guías para la Calidad de Agua Potable, OMS, Ginebra 1995. (***) NMP/100 ml, Número Más Probable por 100 ml o UFC/100 ml, Unidades Formadoras de Colonias por 100 ml según la técnica empleada (Tubos múltiples o Membrana Filtrante). Nota: La lista de los parámetros no está restringida, por lo que el proyectista podrá solicitar otros parámetros no especificados según las características del proyecto y los antecedentes de calidad de agua que se tengan en la zona.

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ANEXO 2 VALORES MÁXIMOS ACEPTABLES POR LA NORMA BOLIVIANA NB 512 (AGUA POTABLE – REQUISITOS) Nº

Parámetro

Análisis Físicos 1 Turbiedad 2 Color 3 Olor * 4 Sabor * 5 Sólidos totales disueltos 6 Sólidos totales suspendidos ** Análisis Químicos 7 Dureza total 8 Calcio*** 9 Magnesio*** 10 Manganeso 11 Hierro total 12 Sulfatos 13 Cloruros 14 Fluoruros 15 Nitratos (1) NO3 16 Nitritos(1) NO2 17 pH Análisis Bacteriológicos 18 Coliformes totales 19 Escherichia coli (E. coli) -

-

Valor máximo aceptable

Unidad

5 15 1 000 -

U.N.T U.C. Escala Pt – Co mg/l mg/l

500 200 150 0,1 0,3 400 250 1.5 45 0,1 6,5 – 9,0

mg/l (Ca CO3) mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l -

0,0 UFC/100 ml 0,0 UFC/100 ml

<2 NMP/100 ml***** < 2 NMP/ 100 ml

N.E.

mg/l

N.E 1 500

mg/l µmhos/cm

Análisis Complementarios 20

Demanda Bioquímica de Oxígeno DBO5 21 Oxígeno disuelto OD 22 Conductividad

(*) Debe ser inobjetable para los sentidos humanos. (**)Guardan relación con la turbiedad. (***) Guardan relación con la dureza total. (*****)NMP/100 ml, Número Más Probable por 100 ml o UFC/100 ml, Unidades Formadoras de Colonias por 100 ml según la técnica empleada (Tubos múltiples o Membrana Filtrante). (1) Condición: (NO3 /45) + (NO2 /0,1) < 1 N.E.: No Especificado en la Norma NB 512. El parámetro DBO5 servirá como comprobación de contaminación microbiológica, posibilidad de conexiones cruzadas. El parámetro Oxígeno disuelto > 4 mg/l garantiza posibilidad de vida acuática (aguas superficiales de calidad admisible, a excepción de las aguas subterráneas). El parámetro conductividad guarda relación con el contenido iónico total (sales disueltas), valores superiores pueden influir en la apariencia, el sabor o el olor del agua (Guías OPS/OMS). -

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ANEXO 3 BIBLIOGRAFÍA 1. Norma Boliviana NB-689. Diseño de Sistemas de Agua Potable, Edición 2005. 2. Reglamento Técnico de Estudios y Parámetros Básicos de Diseño para Sistemas de Agua Potable, Edición 2005. 3. Reglamento Técnico de Diseño de Fuentes de Agua para Sistemas de Agua Potable, Edición 2005. 4. Reglamento Técnico de Diseño de Obras de Captación para Sistemas de Agua Potable, Edición 2005. 5. Reglamento Técnico de Diseño de Redes de Distribución para Sistemas de Agua Potable, Edición 2005. 6. Reglamento Técnico de Diseño de Aducciones de Agua para Sistemas de Agua Potable, Edición 2005. 7. Reglamento Técnico de Diseño de Tanques de Almacenamiento para Sistemas de Agua Potable, Edición 2005. 8. Reglamento Técnico de Diseño de Estaciones de Bombeo para Sistemas de Agua Potable, Edición 2005. 9. Reglamento Técnico de Diseño de Plantas Potabilizadoras para Sistemas de Agua Potable, Edición 2005. 10. Reglamento Técnico de Diseño de Desinfección para Sistemas de Agua Potable, Edición 2005. 11. Reglamento Técnico de Válvulas, Tuberías y Accesorios para Sistemas de Agua Potable, Edición 2005. 12. Reglamento Técnico de Diseo de Sistemas de Agua Potable para Poblaciones Menores a 5.000 Habitantes, Edición 1999. 13. Norma Boliviana NB – 512, Agua Potable – Requisitos. Edición 2005. 14. Manual de Hidráulica. J.M. de Azevedo Netto y Guillermo Acosta Alvarez, Edición 1976. 15. Abastecimientos de Agua – Teoría y Diseño. Simón Arocha R. Edición 1980. 16. Criterios de Diseño de Plantas Potabilizadoras de Agua. CEPIS. Edición 1992. 17. La filtración Gruesa en el Tratamiento de Agua de Fuentes Superficiales; Wegelin M, Galvis G. Latorre, Sandez, CINARA. Edición 1998. 18. Manual de plantas de tratamiento de agua potable, Peñaranda Waldo; Universidad Mayor de San Andrés. Edición 1984. 19. Bombas – Datos técnicos de hidráulica. Bombas Ideal – Valencia. Edición 1974.

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20. Manual de Saneamiento - Vivienda, Agua y Desechos. Dirección de Ingeniería Sanitaria, Secretaria de Salubridad y Asistencia. República de México. Edición 1976.

AGRADECIMIENTO El Ministerio de Servicios y Obras Públicas, agradece a todas las Instituciones y Profesionales que han contribuido en la elaboración de este valioso documento técnico. La revisión y validación del documento se realizó en talleres regionales con la participación de las siguientes instituciones y profesionales: La Paz Marcial Lizárraga Ramiro Encinas Marcial Berdeja Luis Machicado Reynaldo Villalba Susana Jaramillo Arpad Gonzales Jorge Treviño Javier Gastelú María Otero Christian Michel Mario Cisneros Mercedes Bravo Oscar Suntura Felix Cayoja Rolando Herrera Ana Rodo Alberto Garcia Chirtian Valverde Victor Rico

Prefectura Potosí F.P.S. Nacional SISAB UNASBVI La Paz VSB/MSOP VSB/MSOP C.P.M. Consultores ACDI/VOCA ACDI/VOCA UMSA/Fac. Técnica F.P.S. La Paz AAPOS Potosí C.R.S. Fund. Sumaj Huasi ABIS SeLA/ABIS Oruro Consultora GLOBAL Bolivia F.P.S. Nacional CARE Bolivia

Gonzalo Quintanilla José Huanca Eddy Decormis Oscar Ugarte Edwin Laruta Enrique Torrico Edgar Salinas Angel Calderón José Ibarra Oswaldo Sánchez Juan Correa Alfredo Terrazas Vladimiro Salinas José Luis Marquez Raul Saravia René Cardenas Hugo Balcazar Miguel Rodríguez Grover Rivera

UNASBVI Potosí P.I.A. SISAB F.P.S. Potosí VSB/MSOP VSB/MSOP UMSA/Fac. Técnica ACDI/VOCA ACDI/VOCA ANESAPA AAPOS Potosí Fund. Sumaj Huasi C.P.M. Consultores ANESAPA CICO Oruro Consultor Consultor Consultor UMSA/I.I.S.A.

Cochabamba Edwin Miranda Oscar Chino Carlos Morante Alejandro Fernandez Mónica Ramos Victor Ustariz Douglas Delgadillo Severo Vega Rosmary Donaire Samuel Gareca Ronald Cruz Alberto Jiménez Olver Coronado Reynaldo Villalba

F.H.I. UNICEF P.C.I. F.P.S. Water for People CEDEAGRO Pref..Chuquisaca S.I.B. Cbba. S.I.B. Cbba. S.I.B. Cbba. C.I.A.C. PRODICOM\ U.M.S.S.-CASA VSB/MSOP

Ramiro Rodríguez Carlos Herbas Alvaro Mercado Alvaro Rocabado Claudia Cossio Melvy Flores Julio Aramayo Marcelo Encalada Ramiro Iporre Jenny Rojas Marcelo Crespo Gustavo Delgado Hugo Sandi

Consultor PRODICOM U.M.S.S.-CASA CEDEAGRO Water for People A.B.I.S. Cbba. F.H.I. S.O.D.I.S. F.P.S. Cbba. U.M.S.S.-CASA A.B.I.S. Cbba. Consultora Galindo Pref. Chuquisaca

Santa Cruz Rafael Nota Oscar Suarez Sergio Cholima Diego Aponte Edwin Laruta Carlos Gutierrez Ramiro Plaza Heinar Suarez

PASOC/PRODEAS Prefectura Beni F.P.S. Beni CADECO Sta. Cruz VSB/MSOP Ing. Hidrosanitaria F.P.S. Sta. Cruz Prefectura Beni

Orlando Ortuño Roberto Ramón Arcaya Carlos Zabala Nestor Perez Eduardo Cuestas Carlos Holters

ASOC/PRODEAS Seoane F.P.S. Beni CADECO Sta. Cruz EPSA/MANCHACO Comité Menonita F.P.S. Sta. Cruz ABIS Sta. Cruz

Un especial agradecimiento, al Fondo Nacional de Inversión Productiva y Social (FPS), por su colaboración, facilitando la información de costos de proyectos concluidos (Obras concluidas) en las gestiones 1993 a 2004.

ESPECIFICACIONES TECNICAS DE PROYECTOS DE AGUA POTABLE Y SANEAMIENTO PARA POBLACIONES MENORES A 10.000 HABITANTES

V.S.B.: Viceministerio de Servicios Básicos El V.S.B., creado por Decreto Supremo Nº 22055, Decreto Reglamentario de la Ley Nº 1178, Ley de Organización del Poder Ejecutivo (LOPE) del 16 de noviembre de 1997, con el propósito de promover el mejoramiento de la calidad de vida de la población boliviana, a través de la dotación de servicios sostenibles de agua potable y saneamiento y gestión de residuos sólidos. El V.S.B. tiene las siguientes funciones y atribuciones: -Formular, ejecutar y controlar las políticas y normas sectoriales destinadas al desarrollo e instalación de servicios básicos para mejorar las coberturas mediante planes y programas de inversión, compatibilizando las necesidades y prioridades regionales. -Promover y proponer la discusión de normas de diseño y uso de tecnologías apropiadas, para alcanzar mayor cobertura en los servicios, controlando su aplicación y apoyando la investigación tecnológica. -Efectuar el seguimiento, ajuste y cumplimiento del programa nacional de agua potable y saneamiento en el marco del Plan Decenal de Agua y Saneamiento 2001 – 2010. -Mantener un sistema de información sectorial actualizado a nivel nacional y departamental. -Diseñar y realizar programas de capacitación y formación de recursos humanos, en administración, operación, mantenimiento, educación sanitaria y participación comunitaria. -Elaborar programas de desarrollo institucional supervisando su ejecución y apoyando su aplicación en las empresas del sector. -Velar por el cumplimiento de la política tarifaria en los servicios de saneamiento. Aplicación Este documento ha sido orientado a las poblaciones menores de 10.000 habitantes. Para la utilización de estas especificaciones, por las instituciones y profesionales del Sector, debe primar un criterio técnico y es responsabilidad del profesional a cargo de los proyectos la aplicación y apoyo de este documento. Información El V.S.B. habilitará en su página WEB un espacio donde encontraran en formato pdf, las especificaciones técnicas. Derechos de propiedad Este documento es propiedad del Ministerio de Servi cios y Obras Públicas de la República de Bolivia. Se autoriza la reproducción parcial o total, haciendo referencia a la fuente.

Ministerio de Servicios y Obras Públicas Viceministerio de Servicios Básicos Av. Mariscal Santa Cruz, Edif. Centro de Comunicaciones, piso 14 Telf. 231 3292 - 231 1010 www.sias.gov.bo La Paz - Bolivia