CONSIDERACIONES y CALCULOS DE DISEÑO DE SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

a) Determinación del Período de DiseñoEs usual elegir un período de vida útil entre 15 y 25 años quedando a criterio del proyectista tomar esta decisión, dependiendo esto de: una vida útil de estructuras, posibilidad de ampliaciones, incremento o decrecimiento poblacional.

b) Estimación de la Población de DiseñoEsta población es la futura, calculada en base a la población actual y período de diseño optado.

METODO ARITMETICO:r = Pa − Pi n

Donde:r =    Crecimiento anual promedio.Pa =   Población actual (la del ultimo censo).Pi =    Población del primer censo.n =    Años transcurrido entre el primer censo y el último.

Enseguida se procede a calcular la población futura por medio de la expresión:

Pf = Pa + rNDonde:r =    Crecimiento anual promedio (hab/año).Pa =   Población actual ( la del ultimo censo ).Pf =    Población futura (en función al periodo de diseño).N =    Años transcurrido entre el primer censo y el de calculo.

Método Geométrico Se considera que la población crece en forma semejante a un capital puesto a interés compuestoSe emplea cuando la población esta en sus inicios o en saturación, mas no en crecimiento sostenido.

( tf- ta)Pf = Pa *(1+ r)

Donde;Pf = Población FuturaPa = Población actualPi = Población inicialr = Factor de cambio o tasa de crecimiento anualtf = Tiempo futurota = Tiempo actualti = Tiempo inicial

r = (Pa/Pi) - 11/(ta-ti)

Método de Interés Simple Se considera que la población de una localidad, tiene la tendencia al crecimiento similar a una tasa de interés simple

Pf= Pi (1 + r(tf- to))Donde;Pf = Población FuturaPi = Población inicialr = Razón de crecimientotf = Tiempo futuroti = Tiempo inicial

Consumo Promedio Anual

c) Determinación del Consumo y Demanda de Dotación.Consumo: Es la determinada cantidad de agua que se asigna a cualquier uso.

Demanda de Dotación.La dotación es variable de acuerdo a usos y costumbres de cada localidad según la norma del MINSA, se tiene:

Costa : Norte 70 L/h/d Sur 60 L/h/d

Sierra: Más de 1500 m.s.n.m. 50 L/h/dMenos de 1500 m.s.n.m. 60 L/h/d

Selva : 70 L/h/d

Esta dotación está en función al grado de cultura, actividad económica y condiciones de saneamiento de la localidad.

d) Cálculo de Caudales de Diseño y Variaciones de Consumo

- Consumo Promedio Anual

Pf x Dot Qp = --------------- = (... lps) Fc = 1.2 86,400

- Consumo Máximo Diario: Se calcula con el 130% del consumo promedio anual sirve para diseñar tuberías y estructuras antes del reservorio e incluso el volumen del reservorio.

Qmd = K1Qp donde K1 = 1.3

e) Consumo Máximo Horario:

Se estima como: 200% del consumo máximo diario no sirve para diseñar tuberías y estructuras después del Reservorio e incluso es tomado en cuenta para diseño de red de alcantarillado cuando corresponda.

Qmh = K2 Qp

donde K2= 1.8 a 2.5 zonas urbanas K2= 2.0 zonas Rurales

Qmh = 2.0 Qp

CAPTACIONES DE AGUA

Fuentes de Agua:

• Superficiales: De ríos, canales, lagunas, represas.• Subterráneas: Manantes, galerías, pozos, napas freáticas, aguas subálveas.• Atmosféricas: Lluvias, humedad ambiental.

Tipos de sistemas de agua de abastecimiento:

• Por Gravedad• Por bombeo

CAPTACIONES DE AGUA DE MANANTES:

¿Que son los Manantes?

Recomendaciones para su uso:

Son aguas subterráneas que afloran naturalmente a la superficie de la tierra.

• No alterar la calidad del agua, garantizando el libre escurrimiento hacia la cámara de toma.

• Limpiar las capas superficiales de tierra y barro encima del manante.• Proteger el área de captación con cercos o muros. Delimitar el área

de captación• Construir zanjas de coronación para evacuación de aguas

superficiales.

Tipos de manantes:

Tipo Ladera Tipo Fondo

1.- Por su ubicación:• De ladera.• De fondo.

2.- Por su forma de afloramiento:• Concentrados.• Difusos.

Consideraciones de diseño:

Calidad del Agua (ser apta para el consumo humano). Cantidad de agua (medición de caudal en época de estiaje y en máximas). Qminf > Qmd Evaluación del Acuífero (Rendimiento del acuífero o fuente cada mes). Derechos de usos de agua y disponibilidad:

o Cuotas de captación y uso otorgado por el ANA.o Caudal ecológico

Población, Dotación, Caudal de diseño. Prevención de riesgos.

DISEÑO DE CAPTACIONES DE AGUA

Diseño de la captación de un Manante:

Es necesario conocer:• Caudal mínimo de la fuente (Qminf) : 3.6 lps• Caudal máximo diario (Qmd) : 28.71 lps• Qminf < Qmd Buscar otra o mas fuentes

• Caudal máximo de la fuente (Qmaxf) : 8.6 lps• Asumir un Diámetro del orificio de entrada (D) = 2”• Calcular el Q ingreso a la captación (Qicap)• Q=AV (considerar V <= 0.6 m/seg.)• V = Cd 2gh = 0.81 2gh• h = 1.52 V² /Cd = 0.0278m. Recomendado asumir h = 0.40 m.• Entonces Qicap =

Qicap: Para D = 2” = 0.0518m y h = 0.40 m

Q= pi D² Cd 2gh = 0.00478 m³/seg. = 4.78 lps. 4

Q = m³/segD = m.Cd = 0.81 orificios de pared gruesag = 9.81 m/seg.h = m. (0.4m recomendado).

Qicap < Qmaxf4.78 < 8.6 se aumentara el numero de orificios.

Q=0.60 A 2gh Q=0.81 A 2gh

Calculo de la distancia entre el afloramiento y la Cámara húmeda

L = h / 0.3 = 0.4 / 0.3 = 1.33

L = Distancia entre el afloramiento y la

Cámara húmeda (m).

h = Hf + hoh = Altura de carga sobre el orificio de

entrada.hmin = 40 cm.L = 1.33m. aproximando = 1.35

ho

Hf

h

L

Calculo del ancho de la pantalla:Determinación del diámetro del orificio asumido = 2” (recomendado).

Calculo del numero de orificios (Na).

Qmaxf = AV = pi r² Cd (2gh)

dn = 4 Q = 4 A = 0.06252 m., para Qmaxf = 8.6 lps y h = 0.40 m. pi 2gh pi

Si dn > D (diámetro asumido) entonces: necesitamos + orificios

Na = Área del diámetro calculado + 1 ó (d/D)² + 1 = 2.2 a 2.5Área del diámetro asumido

Tomamos 3 orificios de 2”

Calculo del ancho de la pantalla (b).

b = 2(6D) + Na D + 3D (Na + 1)

b = ancho de la pantallaNa = Número de orificiosD = diámetro asumido

b = 1.3986 = 1.40 m.

b

Altura de la Cámara húmeda.Ht = A + B + H + D + EAltura de CaptaciónH = 1.52 V²/2g = 0.028m para V= 0.6m/segH = 1.52 V²/2g = Qmd²/ 2gA²H = (0.0086)² = 0.2755 m. 2 (9.81)(pi (0.0381)²)H = 27.55 cm. = 30 cm. Recomendable

Ht = 0.10 + 0.0762 + 0.30 + 0.05 + 0.30Ht = 0.8262 asumir = 1.0 m. min. a 1.50 m.

Dimensionamiento de la canastilla:

Dcanastilla = 2 D tubería de salida.Dcanastilla = 2 (3”) = 6”Área total de ranuras >= 2 Área tubería de la línea de conducción.Área total de ranuras = 2 ( pi r²) = 0.00912 m²3Dc < L < 6 Dc9” < L < 18”L = 18”

Tubería de rebose y limpia:

Las pendientes de las tubería deben ser de 1 a 1.5 %.Su diámetro D será:

D = 0.71 Q SD = pulgadas.Q = lps.S = m/m.Para C = 140 (PVC)D = 4.23” = 5”

0.38

0.21

Línea de Conducción:Es un conjunto de tuberías, válvulas, estructuras, accesorios y obras de arte, encargados de la conducción del agua desde la captación hasta el reservorio aprovechando la carga estática existente (diferencia de altura) entre estos dos puntos.

Criterios de diseño:• Carga disponible: Carga estática o diferencia de nivel entre la captación y el

reservorio.• Caudal de diseño: Es el Qmd.• Clase de tubería: definida por las máximas presiones que ocurran en la línea de

conducción por la carga estática.• Diámetros de tuberías: Este debe tener la capacidad de conducir el caudal de diseño

con velocidades comprendidas entre 0.6 m/seg, a 3 m/seg, o hasta 5 m/seg.• Estructuras complementarias:

o Válvulas de aire. Para evitar acumulación de aire en puntos altos.o Válvulas de Purga. Para eliminar sedimentos acumulados.o Cámaras rompe presiones. Para controlar el excesivo desnivel en la línea.

Válvula de Aire

Válvula de purga

Q = 0.0004264 C D S

Q = 0.0597 d S Para PVC

Donde:Q = Caudal (Lps)S = Pendiente en milésimos m/kmd = Diámetro en pulgadasC = Coeficiente del Material.Donde 0.6m/seg < V lc < 3.0 m/seg.

Línea de Conducción. Perdida de carga unitaria

Fórmula de Hazen y Williams: para Ø > 2”

2.63

0.542.63

0.54

V = 1.9735 Q / D²

D = 0.71 Q S

0.38

0.21

Diámetro de la tubería para PVC = 140D = pulgadas.Q = lps.S = m/m

Formula de Fair – Whipple: para Ø < 2”

Q = 2.8639 D S2.71 0.57 Para tubería PVC = 140D = pulgadas.Q = lps.S = m/mD = Q

2.8639 S0.57

0.37

Q = 2.492 D S2.63 0.54

S = Q 2.492 D2.63

1.85

Perdida de carga por cada tramo:

Qmd= 2.1lpsL = 380 mCota Captación = 2,500 msnm.Cota Reservorio = 2,450 msnm

Carga Disponible = 50 m.Perdida de carga = 50/380 = 0.1316

D = 0.71 Q = 1.44 = 1.5 = 11/2” S

0.38

0.21

S = Q = 0.1013 m/m 2.492 D

Perdida de carga en el Tramo (Pct) = L * S = 380 * 0.1013 = 38.5

1.852.63

Calculo de la presión en el Tramo:

Cota piezométrica en el reservorio = Cota del Terreno cap – Pct = 2,500 – 38.5 = 2,461.5

Presión al final del Tramo = Cpr – Cota terreno reservorio = 2,461.5 – 2,400 = 11.5 m.

Volumen de Reservorio:

Se estima con la siguiente formula

VR = Qmd x 86.4 x 0.25