agua potable
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TEMAS DE INTRODUCCIÓN A LAS FUENTES DE ABASTECIMIENTO DE AGUA, Y ALGUNOS EJEMPLOS PARA CALCULAR LA POBLACIÓN FUTURA.TRANSCRIPT
AGUA POTABLE Y ALCANTARILLADO
M.I. JOEL HERNANDEZ BLANKET
DATOS DE LA MATERIAOBJETIVO: EL ESTUDIANTE ADQUIRIRA LOS CONOCIMIENTOS Y DEFINICIONES DE ELEMENTOS NECESARIOS PARA PROYECTAR OBRAS DE APROVISIONAMIENTO DE AGUA POTABLE Y SISTEMAS DE ALCANTARILLADO SANITARIO PARA EL DESALOJO DE AGUAS RESIDUALES Y/O PLUVIALES EN EL DESARROLLO DE LAS COMUNIDADES.
PROGRAMA: LICENCIATURAPLAN: 2009-2CLAVE: 11955HORAS CLASE: 2 / SEMANAHORAS TALLER: 3 / SEMANAHORAS EXTRACLASE: 2 / SEMANACREDITOS: 7ETAPA: TERMINALCARACTER: OBLIGATORIAREQUISITOS: XXXXXXXXTITULAR: DR. PABLO ROUSSEAUHORARIO: LUNES: 17:00-18:00 MIERC:17:00-19:00 JUEVES:19:00-21:00
TEMARIO1.- ABASTESIMIENTO DE AGUA POTABLE
1.1.- Panorama nacional y estatal.1.2.- Descripción Gral. de los sistemas de abastecimiento
de agua potable.1.3.- Datos básicos de proyecto.1.4.- Obras de captación.1.5.- Almacenamiento y regulación.
2.- SISTEMAS DE ALCANTARILLADO.2.1.- Descripción Gral. de los sistemas de alcantarillado.2.2.- Aguas residuales.2.3.- Aguas pluviales.2.4.- Captación y conducción.2.5.- Redes de alcantarillado.2.6.- Estaciones de bombeo.
3.- PROYECTO INTEGRAL DE ABASTECIMIENTO Y SANEAMIENTO.3.1.- Población de proyecto.3.2.- Demanda.3.3.- Red de abastecimiento.3.4.- Red de saneamiento.3.5.- Piezas. 3.6.- Planos.3.7.- Presentación.
BIBLIOGRAFIA
ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE Y DISPOSICION Y ELIMINACION DE ESCRETAS.
Pedro López Alegría.Alfaomega IPN.
NORMAS TECNICAS PARA PROYECTO DE SISTEMAS DE AGUA POTABLE 2008.
Gobierno del Estado de Baja California.Comisión Estatal del Agua.
NORMAS TECNICAS PARA PROYECTO DE SISTEMAS DE ALCANTARILLADO SANITARIO 2008.
Gobierno del Estado de Baja California.Comisión Estatal del Agua.
NORMAS DE PROYECTO PARA OBRAS DE ALCANTARILLADO PLUVIAL.
Gobierno del Estado de Baja California.Comisión Estatal del Agua.
ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE.Enrique Cesar Valdez.FACULTAD DE INGENIERIA. UNAM.
ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE Y ALCANTARILLADO.
E. W. Steel.Ed. Gustavo Gilli.
MANUAL DE DISEÑO DE AGUA POTABLE, ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO.
Comisión Nacional del Agua.
ABASTECIMIENTO DE AGUAS Y REMOSION DE AGUAS RESIDUALES.
G. M. Fair, J.C. Seller y D.A: Okun.Limusa-Wiley.
EVALUACION
EXAMENES PARCIALES 60 %PROYECTOS 40 %
NOTAS U OBSERVACIONES:
1.- EXCENTOS CON 6, SI SE APRUEBEN TODOS LOS PARCIALES.
2.- UN EXAMEN PARCIAL REPROBADO Y EL ALUMNO NO QUEDARA EXCENTO .
3.- EL EXAMEN ORDINARIO INCLUYE TODO EL CONTENIDO DE LA MATERIA.
4.- PARA LA ASISTENCIA SE APLICA EL REGLAMENTO.
5.- NO SE CONSIDERAN LOS RETARDOS SOLO FALTAS O ASISTENCIAS.
6.- EL NO ESTAR AL MOMENTO DE PASAR LISTA, SE CONSIDERA FALTA.
7.- APAGAR EL CELULAR O PONERLO EN MODO VIBRAR.
8.- POR NINGUN MOTIVO SE REPITEN EXAMENES PARCIALES.
UNIDAD 1.- ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE.
INTRODUCCION.
El crecimiento de la población indiscutiblemente trae ventajas como el mejoramiento económico, social y cultural. Sin embargo, trae consigo múltiples problemas de tipo ambiental como: CONTAMINACION, TRANSPORTE, DISPOSICION DE DESECHOS SOLIDOS Y LIQUIDOS Y EL ABASTECIMIENTO DE AGUA.
El agua es indispensable para la vida, por ello el hombre siempre ha buscado para su establecimiento tener cerca una fuente de abastecimiento de agua, pero no siempre es posible conseguirlo por diversas razones. Así surgió la necesidad de conducir el agua a lugares apartados.
SISTEMA DE ABASTECIMIENTO DE AGUA.
Conjunto de obras que tienen por objeto suministrar el agua a una población en cantidad suficiente, calidad adecuada presión necesaria y en forma continua.
La solución al problema del agua, NO es permanente, el aumento de la población y el ascenso de su nivel cultural y social hacen insuficiente en poco tiempo las obras proyectadas requiriéndose nuevos caudales, nuevas obras y nuevas fuentes de abastecimiento cada vez mas lejanas.
Por lo tanto, en estos apuntes presentaremos los principios fundamentales que permitan al Ingeniero Civil desempeñar un papel activo en la solución de los problemas que constituyen el sistema de abastecimiento de agua potable e ilustrar su aplicación al proyecto.
1.1.- PANORAMA NACIONAL Y ESTATAL.
PANORAMA NACIONAL.- México ha tenido índices de crecimiento poblacional de los mas altos del mundo:
El aumento de la población ejerce fuerte presión sobre la disponibilidad de los recursos hídricos y la capacidad del sistema para hacer frente a las demandas derivadas de este crecimiento poblacional.
El país cuenta con un escurrimiento medio anual de 410,000 millones de m3 en promedio, sin embargo, la distribución de los recursos hídricos es heterogénea existiendo grandes extensiones con precipitaciones muy escasas, mientras que en otras partes las lluvias son tan abundantes que frecuentemente provocan inundaciones.
Por otra parte, el 74% de la población se concentra en altitudes mayores a 500 m; en contraste, el 85% de la disponibilidad de agua se localiza debajo de esta cota.
Además existe una desproporción en la densidad de la población: Grandes poblaciones con escasos recursos hídricos y viceversa.
SITUACION DE LOS SERVICIOS.- La problemática descrita con anterioridad se refleja en la cobertura de los servicios de abastecimiento de agua potable y alcantarillado en el país. Numerosos habitantes carecen de estos servicios, las cifras disponibles indican que el 13% no cuenta con un sistema formal de abastecimiento de agua potable y que un 30% no cuenta con alcantarillado.
Los porcentajes de cobertura mencionados no revelan la calidad del servicio, el cual en muchos casos es intermitente y no cuenta datos sobre la calidad del agua.
La solución a la carencia de estos servicios no debe limitarse a la introducción de redes de agua potable y alcantarillado, sino ligarse al problema global de abastecimiento: MANTENIMIENTO, REDES PRINCIPALES, NUEVOS COLECTORES, EFICIENCIA, NUEVAS FUENTES, USO.
URGE QUE LAS DEPENDENCIAS ENCARGADAS DE SUMINISTRAR ESTOS SERVICIOS CUENTEN CON INGENIEROS ESPECIALIZADOS EN LABORES TECNICAS Y ADMINISTRATIVAS.
PANORAMA ESTATAL.- El crecimiento de la Población en el Estado de Baja California, en 2005, registró una tasa de crecimiento de 2.7 por ciento anual. De continuar con ese ritmo de crecimiento, Baja California duplicará su población para el año 2032.
Para dar una clara imagen de la dinámica del crecimiento demográfico se presenta a continuación un cuadro elaborado con datos del INEGI.
Año No. de Habitantes Tasa de Crecimiento ( % ) 1940 78,907 ---- 1950 226,965 11.141960 520,165 8.64 1970 870,421 5.281975 1,012,490 3.07 1980 1,177,886 3.071985 1,398,283 3.491990 1,660,885 3.5 2000 2,487,367 4.152005 2,844,469 2.71
Distribución de la Población.- La densidad demográfica de Baja California es relativamente baja en el contexto nacional, registrando en 1990 una relación de 23.69 habitantes por km², casi la mitad de la densidad del país que es de 41 habitantes por km². Esta densidad creció durante el decenio de 1990 al 2000 hasta llegar a 28.18 habitantes por km².
Ensenada absorbe el 14.43% de la población; presentando 8.13 habitantes por km².
Mexicali comprende al 29.90% de la población total del Estado, Tijuana absorbe el 49.86% de la población total de la entidad, con la más alta densidad de 1 191 habitantes por km².
Rosarito absorbe un porcentaje de población de 2.59%, con una densidad de 149 habitantes por km².
Tecate ocupa el 3.22% con relación a la población Estatal con una densidad de 27 habitantes por km².
SITUACION DE LOS SERVICIOS.- Las Obras de infraestructura urbana son las construidas para dar el servicio de abastecimiento, sistemas de captación, conducción, potabilización, distribución, recolección, tratamiento de aguas residuales, tratamiento para aguas de reúso y disposición final de las aguas residuales.
Presas de Almacenamiento y Derivación del Estado
MUNICIPIO PRESA AREA ALT NAME NAMO UTIL VERTEDOR TIJUANA RODRIGUEZ 550 77 138 92 90 4,200 TECATE EL CARRIZO 238 56 44 40 34 86 ENSENADA LOPEZ ZAMORA 54 34 6.7 3.0 2.6 121 MEXICALI MORELOS NA 42 NA NA NA 9,900 AURAS TECATE
Obras de Conducción (Acueductos)
Los acueductos existentes en el Estado son 12 y tienen las siguientes características:
Descripción Longitud (km) Capacidad (L/s) FunciónRCT 126 4000 Abastecer zona costaRgz- Florido 8.500 2000 Conducir agua.Rgz-Tijuana 1.219 600 Conducir agua Misión-Tijuana 65 250 Alimentar el Corredor Turístico Morelos 35.880 1000 Conducir agua Gpe.-Eda. Maneadero-Eda. 12.188 275 Conducir agua Man.-Eda.Misión-Gpe. 25.730 500 Conducir Misión-Gpe. Carrizo-Cuchumá 13.100 100 Conducir agua Auras-Tecate 10.270 350 Conducir agua a Tkt.San José I 10 70 Conducir agua a Tkt.San José II 5.483 90 Conducir agua a Tkt.San Fpe.-Pta. Estrella 34.440 200 Conducir agua.
Capacidad Instalada Plantas Potabilizadoras y Sistemas de Tratamiento en el Estado en l/seg.
LOCALIDAD CAPACIDAD OPERACIONEnsenada 150 0 Mexicali 6,368 2,904 Tecate 365 171.5 Tijuana-Rosarito 4,730 3,760
En el ámbito del servicio de agua potable a nivel cabecera municipal, Mexicali y Tecate tienen prácticamente cubierto el servicio en la ciudad, mientras que Ensenada, Tijuana y Playas de Rosarito presentan coberturas del 98, 96 y 94 por ciento, respectivamente.
El promedio de cobertura en el Estado representa que de cada 100 habitantes, cuatro no cuentan con el servicio.
El alcantarillado sanitario es menos alentador, a pesar de que la ciudad de Mexicali, Ensenada y Tecate cubren el servicio en 94, 94 y 92%, las ciudades de Tijuana y Rosarito alcanzan el 86% y 57% respectivamente.
A nivel municipal, las coberturas se presentan en Ensenada: 64 %; Mexicali: 75%; Rosarito 57%; Tecate 77% y Tijuana 86%. El promedio en el Estado es del 78%. Existe una marcada diferencia con la cobertura del servicio de agua potable.
Con la infraestructura existente, los organismos operadores muestran indicadores del porcentaje de volumen de aguas residuales saneadas urbanas, del total del volumen de aguas residuales recolectadas. Las ciudades de Ensenada, Playas de Rosarito y Tecate prácticamente dan tratamiento al volumen generado, en segundo lugar está Mexicali que alcanza una cobertura de tratamiento del 87 por ciento y finalmente, donde existe más rezago de tratamiento de aguas residuales es en Tijuana con casi un 82 por ciento.
El promedio estatal de las cabeceras municipales en este servicio alcanza el 86 por ciento.
PANORAMA MUNDIAL. CONCIENTIZAR SOBRE EL AGUA.pps
1.2.- DESCRIPCION GENERAL DE LOS SISTEMAS DE AGUA POTABLE.
1.2.1.- GENERALIDADES.- Se considera que el agua potable no causa efectos nocivos a la salud, libre de gérmenes patógenos y sustancias toxicas. Las descargas de excretas de enfermos, son responsables de que las enfermedades se extiendan por medio del agua. Por ello es muy importante tomar precauciones con el agua desde que se extrae del medio natural, hasta que se le descarga de nueva cuenta ya usada en el medio ambiente.
El sistema de hidráulico urbano tiene por objeto evitar la propagación de enfermedades infecciosas mediante el adecuado tratamiento y disposición de los desechos humanos y con la potabilización de los suministros de agua.
Las partes de que consta un sistema hidráulico urbano son: fuente, captación, conducción, potabilización, conducción, regularización, distribución, recolección, conducción, tratamiento y disposición. El sistema de abastecimiento de agua potable es un subsistema del sistema hidráulico urbano.
SISTEMA HIDRAULICO URBANO
Las partes de que consta un sistema de abastecimiento de agua potable son: fuente, captación, conducción, potabilización, regularización, conducción y distribución.
SISTEMA DE AGUA POTABLE
1.2.2.- FUENTES DE ABASTECIMIENTO.- El origen de las fuentes es el CICLO HIDROLOGICO (termino que describe la circulación del agua en el planeta).
Existen tres formas para describir el ciclo hidrológico:
EN FORMA ORAL O ESCRITA.- Tomando como punto de partida la evaporación en los océanos, el agua en estado gaseoso se desplaza en la atmosfera en sentido vertical y horizontal. En la atmosfera se condensa y se precipita a la superficie: tres cuartas partes al mismo océano y una cuarta parte a la superficie continental. En los océanos inicia nuevamente la evaporación y en la superficie continental el agua llena lagos, se infiltra en el terreno y circula dentro de el para aflorar en áreas de menor elevación o hasta volver subterráneamente al mar, parte es retenida por la vegetación y parte escurre superficialmente formando cauces y ríos desembocando en lagos o presas para su regulación a fin de usarla o controlar los caudales; de la superficie de terreno también se produce la evaporación y la transpiración de los seres vivos y el resto vuelve al mar…… y bla, bla, bla, bla, bla
DESCRIPCION ORAL DEL CICLO HIDROLOGICO.
EL CICLO HIDROLOGICO EMPIEZA CON LA EVAPORACION EN LOS OCEANOS ……………………… BLA, BLA, BLA, BLA, BLA, BLA, BLA, BLA, BLA, ET. ETC. ETC.
DESCRIPCION ARTISTICA
DESCRIPCION CUALITATIVA
Gracias al ciclo hidrológico, se encuentran disponibles en la naturaleza las siguientes fuentes de abastecimiento:
A) AGUA SUPERFICIAL. Ríos.B) AGUA SUBTERRANEA. PozosC) AGUA ATMOSFERICA. Atrapa nieblas.D) AGUA SALADA. Océanos.
Las aguas saladas y atmosféricas raras veces son utilizadas por su escases, mala calidad y economía. Por su escases las aguas atmosféricas solo podrán utilizarse en comunidades muy pequeñas y las aguas saladas tienen un alto costo de inversión, operación y mantenimiento, tales tecnologías resultan prohibitivas en nuestro medio y solo se aplican en casos excepcionales.
Por lo tanto, las dos grandes fuentes de abastecimiento de agua potable son las aguas superficiales y las subterráneas.
El abastecimiento de agua potable no solamente depende de que la fuente este disponible, sino también de la cantidad y calidad del agua.
Las aguas superficiales incluyen: ríos, lagos, acuíferos superficiales no confinados.
VENTAJAS:Disponibilidad.Son visibles.Fácilmente alcanzadas.Contaminación fácilmente removida.Son blandas. (Bajo contenido de Ca y Mg.)Alto contenido de oxigenoLibres de H2S (Sulfuro de hidrogeno) (Mal Olor)
POR OTRA PARTE:Son variables en cantidad.Se contaminan fácilmente.Su actividad biológica puede producir sabor y
olor desagradable.Alta turbiedad y color.Pueden tener mucha materia orgánica.
Las agua subterráneas generalmente están mejor protegidas presentan:
Calidad uniforme.Color natural.Baja materia orgánica.Poco o nula contaminación orgánicaSin sabor u olor.No son corrosivas por bajo oxigeno.Alta dureza. (alto contenido de Ca. y Mg.)
DIFERENCIAS ENTRE AGUAS SUPERFICIALES Y SUBTERRANEAS.
1.2.3.- CAPTACION.- Obras civiles y equipos electromecánicos que se utilizan para reunir y disponer adecuadamente del agua superficial o subterránea. EJEMPLOS DE OBRAS DE CAPTACION
Es necesario diferenciar el termino de obra de captación y las obras complementarias. Un dique por ejemplo es una obra complementaria, ya que su función es represar las agua de un rio, a fin de asegurar una carga hidráulica suficiente para la entrada al sistema a través del dispositivo de captación. Dicho dispositivo puede ser un simple tubo, la pichancha de una bomba, un tanque, un canal, una galería filtrante, etc. Y representa aquella parte vital de las obras de toma que asegura bajo cualquier condición de régimen, la captación de las aguas en la cantidad y calidad previstas. Mientras los requisitos primordiales del dique son la estabilidad y durabilidad, el merito principal de los dispositivos de captación radica en su buen funcionamiento hidráulico.
1.2.4.- CONDUCCION.- Parte del sistema constituido por conductos, obras de arte y accesorios destinados a transportar el agua procedente de la fuente de abastecimiento, desde le lugar de captación hasta un punto que puede ser un tanque de regulación, a un cárcamo para una segunda conducción o a una planta potabilizadora.
La necesidad de conducir el agua, dio origen a las acueductos Romanos. Hace mas de 1800 años los Romanos tenían mas de 430 km. de sistemas de conducción de agua que abastecían a toda la ciudad. Estos acueductos conducían el agua a través de túneles en las montañas y enormes arcos de piedra en los valles. Uno de los últimos acueductos romanos tiene cerca de 100 m de alto.
En Segovia España existe un acueducto construido en el año 109 que aun suministra agua a buena parte de la Cd.
En México son clásicos CUATRO ejemplos de obras de conducción de gran magnitud:
1.2.5.- TRATAMIENTO.- Proceso capaz de alterar favorablemente las condiciones del agua. De acuerdo con las características propias del agua cruda es necesario aplicar una serie de procesos capaz de proporcionar al agua las distintas características de calidad que sean necesarias para hacerla apta para su utilización. Cuando el tratamiento que se le da al agua para hacerla apta para la bebida, se le llama ”potabilización” y planta potabilizadora a la obra de ingeniería civil en la que se constituyen las unidades necesarias para producir el agua potable.
Objetivos de una planta potabilizadora:
1.- Segura para consumo.2.- Estéticamente aceptable.3.- Económica.
La planta potabilizadora debe tratar agua cruda de cualquier tipo de fuente. Dependiendo de la calidad del agua cruda y de la calidad final deseada, serán necesarios uno a mas procesos.
La secuencia de procesos incluyen:
MEZCLADO.FLOCULACION.SEDIMENTACION.FILTRACION.DESINFECCION.
Básicamente la idea del tratamiento es coagular las partículas suspendidas que causan turbiedad, sabor, olor y color para que puedan ser removidas por sedimentación y filtración para finalmente ser desinfectada.
En el mezclado, un coagulante tal como el sulfato de amonio se agrega al agua cruda y se mezcla vigorosamente. El coagulante envuelve las partículas coloidales, formando “floculos” las cuales aumentan de tamaño propiciando la sedimentación o pueden ser removidas de la suspensión por filtración. A los fenómenos que se suceden en las etapas de mezclado y floculación se les denomina “coagulación”.
Del floculador, el agua pasa a un tanque de sedimentación, donde se retiene por de 2 a 4 horas. Aquí los grandes floculos se sedimentan bajo la acción de la gravedad, para que posteriormente sean recolectados como lodo y puedan ser tratados y dispuestos fuera del tanque. El efluente del tanque de sedimentación se dirige entonces a la unidad de filtración.
La filtración consiste en una capa de arena tamizada, de 60 a 76 cm de espesor que se coloca sobre una cama de grava graduada de 30 a 45 cm de espesor.
Cuando el filtro reduce su eficiencia por obstrucción de los intersticios se le efectúa un retrolavado para su limpieza en un lapso de 2 a 3 minutos.
Durante la coagulación, sedimentación y filtración, prácticamente todos los solidos suspendidos, la mayor parte del color y aprox. el 98% de las bacterias son removidas. Por seguridad el efluente debe ser desinfectado, usualmente con cloro. La cloración es efectiva contra bacterias, pero su capacidad para destruir amibas y virus es cuestionable.
El diseño de una planta potabilizadora es tema de otro curso.
DIAGRAMA DE FLUJO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
1.2.6.- ALMACENAMIENTO Y REGULACION.- Probablemente el génesis de los sistema de almacenamiento de agua fue la necesidad de almacenarla para contar con un almacenamiento disponible cuando fuera necesario. El almacenamiento es un elemento esencial de cualquier sistema de agua y mas aun con el constante desarrollo, con la ampliación de las zonas de servicio y otros usos que aumentan la demanda.
El termino “almacenamiento para distribución” se ha de entender que incluye el almacenamiento de agua en el punto de tratamiento, lista para la distribución; no así el embalse de aguas para propósito de almacenamiento o de utilización a largo plazo. Este ultimo es propiamente un elemento de las obras de captación.
La función principal del almacenamiento para distribución es:
1.- Hacer posible que la planta de tratamiento siga trabajando durante el tiempo en el que, en otra forma, los elementos se encontrarían ociosos
2.- Almacenar el agua anticipadamente a su necesidad real, en uno o mas lugares a la zona de servicio, cercanos a su consumidor final.
VENTAJES DE UN ALMACENAMIENTO PARA DIST.1.- Igualar demandas de fuente, Producción, conducción
y distribución, optimizando capacidades.2.- Mejorar y estabilizar gastos y presiones del sistema.3.- Disponer de reservas para emergencias como
incendios, falta de energía, fugas, etc.4.- Transformar el régimen de alimentación constante
en un régimen variable ya que la población consume agua en forma variada.
ALMACENAMIENTO DE DISTRIBUCION
1.2.7.- DISTRIBUCION.- Después de la regulación, el sistema de distribución debe entregar el agua a los consumidores. La importancia del sistema de distribución radica en que mas de la mitad de la inversión de un sistema de almacenamiento de agua corresponde a la distribución del agua potabilizada.
Un sistema de distribución adecuado, debe de proporcionar un amplio suministro de agua potable, cuando y donde se requiera dentro de la zona de servicio. El sistema debe mantener presiones adecuadas para usos residenciales, comerciales, industriales y contra incendios.
El sistema de distribución incluye bombas, tuberías, válvulas de regulación, tomas domiciliarias, líneas principales y medidores.
Las personas responsables de la distribución deben estar familiarizados con los medios y métodos para su diseño, construcción y mantenimiento. Temas que serán tratados en los siguientes capítulos.
1.3.- DATOS BASICOS DE PROYECTO.
1.3.1.- IDA UTIL DE LAS OBRAS Y PERIODO DE DISEÑO.- Los elementos del sistema de abastecimiento de agua se proyectan con capacidad prevista para dar servicio durante un lapso futuro después de su instalación que se denomina periodo de diseño.
Se entiende por periodo de diseño al numero de años durante el cual el sistema que se proponga será adecuado para satisfacer las necesidades de la comunidad. El periodo de diseño en general es menor que la vida útil o sea el tiempo que razonablemente se espera que la obra sirva a los propósitos sin tener gastos de operación y mantenimiento elevados que hagan antieconómico su uso o que requieran ser eliminadas por insuficientes. Rebasando el periodo de diseño, la obra continuara funcionando hasta cumplir su vida útil en términos de una eficiencia cada vez menor.
LA VIDA UTIL DE LAS OBRAS DEPENDE:
1.- Calidad de la construcción.2.- Calidad de equipo electromecánico y control.3.- Calidad del agua.4.- Diseño del sistema.5.- Operación y mantenimiento.
1.- Calidad de la construcción. La obra civil juega un papel muy importante, ya que es la base para la instalación de equipos y controles, así como para el almacenamiento del agua. Generalmente tiene una duración muy superior a la obra electromecánica y de control, por lo que, en la estimación de la vida útil la que predomina es esta ultima.
2.- Calidad de los equipos electromecánicos y control.- Este equipo junto con las tuberías definen el periodo de vida útil de la obra ya que su costo representa el mayor porcentaje del sistema. Las tuberías tienen una vida útil mucho mayor que los equipos, pero tienen la flexibilidad de que estos se pueden cambiar o modificar mientras que sustituir tuberías implica rehacer el sistema.
3.- Calidad del agua.- Factor definitivo en la duración de los equipos y materiales. La dureza y la corrosión reducen su vida útil.
4.- Diseño del sistema.- La optimización en el diseño del sistema influirá directamente en la calidad del servicio que se prestara y en la duración de este, ya que el mal diseño hará que el sistema trabaje en condiciones desfavorables, requiriéndose un esfuerzo adicional para realizar su función. Este punto es el muy importante, ya que si el diseño quedo escaso, la vida útil se disminuirá tanto como el mismo error.
5.- Operación y mantenimiento.- Es el mas importante de todos, dependiendo la forma como se efectué se acortara o prolongara el periodo de trabajo de cada uno de sus componentes. En nuestro país el mantenimiento preventivo rara vez o nunca se realiza, mas bien el que se da es del tipo correctivo generalmente por personal improvisado terminando por reducir el sistema a su mínima expresión, dejando en operación lo indispensable nada mas para que funcione.
PARA DEFINIR EL PERIODO DE DISEÑO DEBEMOS CONSIDERAR:
1.- Vida útil de las estructuras y equipos.2.- Dificultad o facilidad para hacer ampliaciones.3.- Prever crecimiento urbano, comercial e industrial.4.- Tasas de interés sobre adeudos.5.- Duración de los créditos.6.- Comportamiento de las obras durante los primeros
años que no estarán operando a toda su capacidad.
A continuación se presentan algunos valores estimados de la vida útil de diversos elementos partiendo del entendido que tendrán un mantenimiento adecuado y fueron bien diseñadas.
VALORES ESTIMADOS DE VIDA UTIL
Se ha usado fijar el periodo de diseño en función de la población:
PERIODO DE DISEÑO PARA DIFERENTES POBLACIONES
1.3.2.- POBLACION DE PROYECTO.- En general el diseño de un sistema de abastecimiento de agua, se basa en una estimación de la población futura a la que servirá, denominada población de proyecto.
Es indiscutible que de la mayor o menor aproximación que se logre en la predicción dependerá de que la obra cumpla su cometido futuro, y que al reducirse el grado de incertidumbre en el diseño pueda ser mas económica.
Factores básicos en el cambio de la población:
1.- Excesos de nacimientos sobre muertes. Las tasas no son constantes por lo que se presenta cierta incertidumbre e inexactitud. Entre mayor sea la base de datos, mayor peso se tendrá sobre la migración.
2.- Exceso o perdida de población. (migración)
Las condiciones socioeconómicas tienen una influencia decisiva en el crecimiento de la población, tanto en el aumento natural como en el de migración de allí la importancia del estudio socioeconómico en la mecánica del crecimiento de poblaciones.
Los atractivos de una comunidad son también importantes en el crecimiento de su población.
Debe tomarse muy en cuenta la disponibilidad de terreno para el crecimiento y estimar si la predicción determinada resulta razonable o no. O, si hay lugares congestionados que tienen poco espacio para mas personas.
En México, la mejor manera de estimar las tendencias de la población futura de una comunidad es el INEGI. Los censos de población pueden adaptarse a un modelo aritmético, parabólico, geométrico, etc. Estos modelos se explican a continuación.
Modelo aritmético.- Tiene como base un incremento de población constante para incrementos de tiempo iguales.
Se aplica la siguiente ecuación:
P = P1 + K*(T - T1)
En donde:
P = Población futuraP1 = Población inicial.T1 = Tiempo inicial. T = Tiempo futuro.K = Incremento de población en unidad de
tiempo.
Ejemplo. Calcular la población para 2010, por el método aritmético.
Se recomienda usar los últimos dos censos. Por lo que:
K = (P - P1) / (T - T1)K = (27314 – 22762) / (1990 -1980)K = 455.2
De donde: P2010 = P1990 +K(1980-1990) * (2010-1990)
P2010 = 27314 + 455.2 * 20 = 36,418 hab.
Modelo geométrico.- Se caracteriza por tener una velocidad de crecimiento directamente proporcional al valor de la población en cada instante de tiempo, o sea:
LnP = LnP1 + K*(T - T1)
En donde:
P = Población futuraP1 = Población inicial.T1 = Tiempo inicial. T = Tiempo futuro.K = Vel. de crecimiento para el ultimo dato.
Ejemplo. Calcular la población para 2010, por el método geométrico.
Se recomienda usar los últimos dos censos. Por lo que:
K = (LnP - LnP1) / (T - T1)K = (Ln 27314 – Ln 22762) / (1990 -1980)K = 0.01823
De donde:Ln P2010 = Ln P1990 +0.01823* (2010-1990)=10.58
P2010 = e10.58 = 39,330 hab.
Modelo de la parábola cúbica.- Este método considera que la curva de crecimiento se aproxima a la de una parábola cúbica del tipo:
P = a + bx +cx2 +dx3
En donde:x = Año
Para aplicar este método se requiere contar con al menos 4 datos.
Ejemplo.- Calcular la población para el año 2010 por el método de la parábola cúbica con los siguientes datos:
Para x = 0P = a + bx +cx2 +dx3 = 16629
Para x = 1P = 19290 = 16629 + b1 +c12 +d13
Para x = 2P = a + bx +cx2 +dx3 = 16629 Para x = 27762= 16629 + b2 +c22 +d23
Para x = 3P = 27324 = 16629+ b3 +c32 +d33 = 16629
Quedando un sistema de tres ecuaciones con tres incógnitas:
b+c+d = 26612b+4c+8d =61333b+9c+27d =10685
Resolviendo tenemos:b= 2345.16c = 271.00d = 44.83
Finalmente tendríamos:
P = 16629 + 2345.16x +271x2+44.83x3
Para 2010; x = 5P = 16629 + 2345.16*(5) +271*(5)2+44.83(5)3
P = 40733
Para 2020; x = 6P = 16629 + 2345.16*(6) +271*(6)2+44.83(6)3
P = 50139
Método de los mínimos cuadrados.- Una relación lineal entre dos variables queda representada por una línea recta cuya ecuación general es: y = a + bx. El método utiliza un conjunto de observaciones que en este caso son años y numero de habitantes. Para obtener la ecuación de la recta sustituimos los datos en las ecuaciones normales:
∑ y = na + b ∑ x∑ xy = a ∑ x + b ∑ x2
Ejemplo: Utilizaremos la siguiente tabla en el que “x” son los años y “y” el número de habitantes. Las otras columnas pertenecen a los demás elementos de la ecuación como “xy”, y “x2 “
Sustituyendo en las ecuaciones se tiene:135,217 = 8a + 15,560b263´982,880 = 15,560 + 30´268,400b
Resolviendo el sistema de ecuaciones:a = -439,623.742b = 234.718
Por lo que la ecuación de la recta es:
y = -439,623.742 + 234.718x
Con esta ecuación podemos calcular la población para cualquier año.
1.3.3.- USOS DEL AGUA.- Generalmente, las aguas se clasifican según su uso:
DOMESTICO.- Incluye el agua utilizada en viviendas, su consumo varia con el nivel de vida y es proporcional al numero de habitantes.
COMERCIAL.- Incluye el agua empleada en zonas comerciales o mercantiles por personas que no habitan allí. Se estima en base a la superficie del suelo.
INDUSTRIAL.- Sirve para fines de fabricación y no guarda relación con el numero de habitantes o empleados.
PUBLICO.- Sirva para riego de parques y jardines, combatir incendios, edificios públicos, fugas, etc.
AGRICULTURA.- Se utiliza para fines de riego y no se le debe dar servicio del sistema de abastecimiento de agua potable a la población.
Consumos.- Varían con los países e incluso con las regiones; así, en las ciudades se consume mayor cantidad de agua que en las zonas rurales. Las condiciones climatológicas, las costumbres y actividades tienen una influencia directa en las cantidades de agua consumida. Específicamente, los factores que determinan el consumo son los siguientes:
CANTIDAD DE AGUA DISPONIBLE.- La dificultad para disponer de agua en las fuentes de abastecimiento, limita la cantidad a distribuirse.
TAMAÑO DE LA POBLACION.- Al crecer la población, aumentan sus necesidades.
CARACTERISTICAS DE LA POBLACION.- El consumo dependerá de la actividad básica y costumbres de la población, así como de las características de dicha actividad.
NIVEL ECONOMICO.- Al mejorar el nivel económico, aumentan las exigencias de consumo de agua.
CLIMA.- Los climas extremosos son los que mas influencia tienen sobre el consumo de agua, ya que se eleva cuando el clima es cálido y disminuye cuando es frio. También se incrementa el consumo debido al uso de calefacción y a la rotura de tuberías por la congelación del agua.
ALCANTARILLADO.- Cuando una población cuenta con redes de alcantarillado el consumo de agua es mas elevado que en poblaciones donde no se cuenta con tal servicio.
CLASE DE ABASTECIMIENTO.- EL consumo en poblaciones que cuentan con un sistema publico de abastecimiento es mayor que en aquellas que tienen solo un sistema rudimentario.
CALIDAD DEL AGUA.- El consumo de agua aumenta cuando su calidad es mejor debido a que se diversifican sus usos.
PRESION DE LA RED.- La presión de la red afecta el consumo a través de los derroches y perdidas. Una presión excesiva aumenta la cantidad de agua consumida, debido a las perdidas en las juntas y los derroches en piezas defectuosas.
CONTROL DE CONSUMO.- El uso de medidores provoca una disminución en el consumo de agua ya que el usuario tiene que pagar según el volumen empleado.
DOTACION.- Se entiende por dotación la cantidad de agua que se asigna a cada habitante y que comprende todos los consumos de los servicios que se hacen en un día medio anual, incluyendo perdidas. Por supuesto que la dotación de agua potable, si el sistema de abastecimiento de agua potable es eficiente y suficiente, es función del clima, del numero de habitantes y sus costumbres, del costo, de las medidas de control, de las fugas, desperdicios y el uso racional. Para fines de anteproyecto la dotación media esta en función del numero de habitantes y del clima, como se indica en el siguiente cuadro.
DOTACION DE AGUA POTABLE (L/HAB/DIA)
VARIACIONES.- El consumo medio anual de agua en una población es el que resulta de multiplicar la dotación por el numero de habitantes y por los 365 días del año.
Vma = D*P*365/1000
En donde:
Vma = Consumo medio anual en m3.D = Es la dotación el L/hab/dia.P = Es el numero de habitantes.
El consumo medio diario en m3 es:
Vmd = D*P/1000
Y el gasto medio diario en L/seg. es
Qm = D*P /86400
El gasto medio diario es la cantidad de agua requerida para satisfacer las necesidades de una población en día de consumo promedio.
Las condiciones climáticas, las actividades humanas, etc., tienden a causar VARIACIONES en el consumo de agua. Durante la semana, el lunes se consume mas agua que los domingos. En algunos meses el promedio anual es mas bajo o mas alto, específicamente es mas alto en el verano y mas bajo en invierno. También se producen puntas de demanda durante el día, una máximo en la mañana y un mínimo en la madrugada.
Por lo tanto el máximo gasto diario puede oscilar entre un 120 y un 150% del gasto medio anual, es decir:
QMD = Qm*CVD
QMD = Gasto máximo diario en lps/seg.Qm = Gasto medio diario anual en lps/seg.CVD = Coeficiente de Variación Diaria.
El gasto máximo horario es alrededor del 150% del promedio y puede llegar hasta el 200%, o sea:
QMH = Qm*CVD*CVH
En donde:
QMH = Gasto máximo horario en lts/seg.
CVH = Coeficiente de Variación Horaria.
De acuerdo a los lineamientos de la CNA, se tienen los siguientes valores para los coeficientes de variación:
CVD = de 1.2 a 1.5CVH = de 1.5 a 2.
Los valores comúnmente utilizados en la Republica mexicana son:
CVD = 1.2 CVH = 1.5
En Baja California utilizamos (Tabla 1.1 del Manual):
CVD = 1.2 CVH = 1.5
1.3.4.- GASTOS DE DISEÑO.
Los gastos de diseño para los componentes de un sistema de abastecimiento de agua potable se indican a continuación:
GASTO DE DISENO COMPONENTE
QMD 1.- FUENTE Y OBRA DE CAPTACION
QMD 2.- CONDUCCION
QMD 3.- ALIMENTACION RED
*** 4.- POTABILIZADORA
QMD 5.- TANQUE DE REGULARIZACION
QMH 6.- RED DE DISTRIBUCION.
EJEMPLOS: Determine el gasto medio, el máximo diario y máximo horario que demandara una población actual de 15,000 habitantes, la cual ha presentado una tasa de crecimiento del 4.5% anual. La localidad se ubica en una región de clima templado y el periodo de diseño es de 15 años.
SOLUCION:
Población actual = 15,000 hab.
Población futura = Pob. Actual ( 1+i)t
= 15000(1+0.045)15 =29029 hab.
Poblacion de proyecto = 29029 hab.
Dotación = 150 L/hab/dia. (cuadro 4.6 pag 51 UNAM)
Por lo tanto el gasto medio será:
Qm = P*D/86400 = 29029*150/86400= 50.4 L/seg.
QMD = 1.2*50.4 = 60.48 L/seg.
QMH = 1.2*1.5*50.4 = 90.72 L/seg.
EJEMPLO.- En la siguiente figura se muestra el diagrama del sistema de abastecimiento de agua potable que ha de proyectarse para cierta ciudad que de acuerdo a su topografía ha sido dividida en dos zonas denominadas ALTA Y BAJA. La fuente de abastecimiento es el agua subterránea y la obra de captación se compone de tres pozos profundos que envían el caudal hacia un mismo tanque superficial de concreto. Ya reunida el agua en este tanque, se rebombea hacia el tanque de regularización de la zona baja en donde se asienta el 40% de la población total. El tanque bajo abastece de agua a la zona baja y al mismo tiempo se tiene en el un equipo de bombeo que eleva el agua hasta el tanque de regularización de la zona alta, en el cual se asienta el 60% de la población total.
DIAGRAMA DE LA FUENTE DE ABASTECIMIENTO
Los censos de población de esta localidad son los siguientes:
CENSO No. DE HABITANTES
1921 5459
1930 6710
1940 7065
1950 10597
1960 16556
1970 21164
1980 27476
1990 31112
A partir de 1991 calcule:
a).- La población de proyecto para un periodo de diseño de 15 años utilizando un mínimo de 3 métodos diferentes.
b).- Los gastos de bombeo de los pozos considerando que el I y III proporcionan el 30% y 40% del gasto de diseño de la obra de captación respectivamente y bombean las 24 horas. El pozo II solo bombea de 7:00 a 17:00 horas. La dotación es de 250 L/hab/dia.
c).- Los gastos de diseño de las líneas de conducción 1 y 2 considerando que del cárcamo se rebombea solo 20 horas al día hacia el tanque bajo y que de este se bombea agua durante 16 horas al día hacia el tanque alto.
SOLUCION:
a).- Calculo de la población de proyecto.
El año al cual deberá estimarse la población de proyecto es:
1991+15 = 20161.- Método de interés compuesto. Se recomienda
utilizar los últimos dos censos.
Tasa de crecimiento:i = (P/Po)^(1/t)
Para los últimos 10 añosP = 31112Po = 27476
Por lo tanto i = (31112/27476)^(1/10) = 0.0125 = 1.25 %
Y P 2006 = P(1-i)^t = 31112(1-0.125)^16
P 2006 = 37953
2.- Método aritmético. (últimos dos censos)
K = (P - P1) / (T - T1)K = (31112 – 27476) / (1990 -1980)K = 363.6
De donde: P2010 = P1990 +K(1980-1990) * (2006-1990)
P2006 = 31112 + 363.6 * 16 = 36,930 hab.
3.- Método geométrico. (últimos dos censos).
K = (LnP - LnP1) / (T - T1)K = (Ln 31112 – Ln 27476) / (1990 -1980)K = 0.012428
De donde:Ln P2006 = Ln P1990 +0.01823* (2006-
1990)=10.54
P2006 = e10.54 = 37,998 hab.
Población de proyecto:
Método de interés compuesto = 37,953 hab.Método aritmético = 36,930 hab. Método geométrico = 37,998 hab.
PROMEDIO = 37,627 hab.
b).- Calculo de los gastos de bombeo.
El gasto de diseño de la obra de captación es el gasto máximo diario. En consecuencia, los tres pozos en conjunto deberán suministrar el volumen máximo diario.
VMD = (D*P*CVD)/1000 = (250*37627*1.2)/1000VMD = 11,288.1 M3
Como los pozos I y III deben satisfacer respectivamente el 30 y 40% del consumo máximo diario, al final del día deberán producir los siguientes volúmenes.
Pozo I :V1 = 0.30*11288.1 = 3,386.43 M3
Pozo III :V1 = 0.40*11288.1 = 4,515.24 M3
De acuerdo con los datos estos pozos habrán de bombear continuamente las 24 horas, por lo que sus gastos de bombeo respectivamente serán:
QB = VOLUMEN / TIEMPO DE BOMBEO
POZO 1QB1 = 3386.43/86400*1000 = 39.19 LPS
POZO 3QB3 = 4515.24/86400*1000 = 52.26 LPS
EL 30% del volumen medio diario restante deberá se producido por el pozo II, esto es:
Pozo II :V2 = 0.30*11288.1 = 3,386.43 M3
Pero este pozo solo bombeara 10 horas continuas (de 7:00 a 17:00 horas), por lo que el gasto de bombeo será:
POZO 2QB2 = (3386.43/10*60*60)*1000=94.07 LPS
c).- Gastos de diseño de las líneas de conducción: El gasto de diseño de una línea de conducción es el gasto máximo diario, pero en este caso debe afectarse por el lapso de bombeo, ya que este no es continuo las 24 horas del día.
DEL CARCAMO DE REBOMBEO AL TANQUE BAJO (TB) SE BOMBEAN 20 HORAS DIARIAS.
QLC1 = QMD (20hr.) = 250*37627/(20*60*60)*1.2 =
QLC1 = 156.78 LPS.
Del tanque bajo al tanque alto se bombearan 16 horas diarias. Además el gasto de la línea de conducción 2 se debe multiplicar por 0.6 debido al hecho de que el 40 % de dicho gasto se consume en la zona baja, por lo que solo tiene que bombearse al tanque alto el 60% restante.
QLC2 = QMD (16hr.) =
0.60*250*37627/(16*60*60)*1.2 =
QLC2 = 117.58 LPS.
EN CONCLUCION, NO IMPORTA CUANTAS HORAS SE BOMBEE, EL HECHO ES QUE SIEMPRE DEBERA TENERSE AL FINAL DEL DIA UN VOLUMEN IGUAL AL CONSUMO MAXIMO DIARIO.