INTRODUCCION El hombre puede sobrevivir hasta semanas sin alimentarse pero sin el vital líquido moriría en tan solo un par de días. Es por eso que el agua es un elemento esencial para la vida. Las civilizaciones antiguas buscaban establecerse cerca de las riveras, lagos o cualquier ojo de agua que les proporcionara el agua. Con el pasar de los años el hombre fue evolucionando a nivel de tecnología y eso le permitió transportar y almacenar el agua, así como extraerla del subsuelo, por lo cual los asentamientos humanos se han extendido lejos de los ríos o cualquier fuente superficial de agua. El agua que se utiliza actualmente es de uso muy diverso, como por ejemplo el aseo personal, limpieza en los hogares, para preparar alimentos, etc. Además de fines comerciales, industriales, irrigación, generación de energía eléctrica, recreación, etc. De la misma forma en que ha evolucionado el uso del agua, también lo ha hecho el término “abastecimiento de agua” que conlleva a proporcionar el agua, ya sea urbana o rural, en la cantidad suficiente, presión necesaria y en condiciones salubres. Un sistema moderno de abastecimiento de agua se compone de elementos para captación del agua, almacenamiento, conducción, bombeo, y distribución. Este documento tiene por objeto presentar en primer lugar los términos más importantes que se manejan con respecto a un sistema de abastecimiento de agua potable, así como las normas de ANDA más importantes usadas en el diseño. También demuestra el diseño de una red de distribución de agua potable moderna, para una urbanización real y diseñada según normas de ANDA y con la utilización del software EPANET para su diseño.
OBJETIVOS Objetivo general:
Conocer en que consiste un sistema de abastecimiento de agua potable, sus elementos, funciones, y el diseño de un sistema de distribución de agua.
Objetivos específicos:
Realizar el diseño de la res de distribución con el uso del programa EPANET. Según nuestro propio criterio y con la ayuda de las normas de ANDA y el EPANET, crear un sistema que sea funcional y económico a la vez.
Calcular los caudales de diseño para el diseño de la red de distribución
Presentar un marco teórico con la información resumida de acuerdo con el tema tratado.
MARCO TEORICO Un sistema de abastecimiento de agua potable Es el conjunto de tuberías, instalaciones y accesorios destinados a conducir las aguas requeridas por una población y determinada con el fin de satisfacer sus necesidades, desde su lugar de existencia natural o fuente hasta el hogar de los usuarios. Los sistemas de abastecimiento de agua potable se pueden clasificar por la fuente del agua, de la que se obtienen en: Agua de lluvia almacenada en aljibes Agua proveniente de manantiales naturales, donde el agua subterránea aflora a la superficie; Agua subterránea, captada a través de pozos o galerías filtrantes Agua superficial, proveniente de ríos, arroyos, embalses o lagos naturales Agua de mar.
Fig. 1 Esquema de un sistema de abastecimiento de agua potable
El sistema de abastecimiento de agua también se clasifica dependiendo del tipo de usuario, en urbano o rural. Los sistemas de abastecimientos rurales suelen ser sencillos y no cuentan en su mayoría con redes de distribución eficientes. Los sistemas de abastecimiento urbano son sistemas complejos que cuentan con una serie de componentes como los que citamos a continuación:
Fuente:
Es el espacio natural desde el cual se derivan los caudales demandados por la población a ser abastecida. Deben ser básicamente permanentes y suficientes, pudiendo ser superficiales y subterráneas, suministrando el agua por gravedad o por bombeo.
Obra de Captación:
son estructuras y/o dispositivos ubicados en la fuente y destinados a facilitar la derivación de los caudales demandados por la población. Las tomas son orificios protegidos a través de los cuales el agua entra a una tanquilla y luego a un canal o tubo que la transporta, por gravedad o mediante bombeo, al sitio de consumo. Estas obras deben ser estables, para que en todo tiempo puedan suministrar el caudal estipulado en el diseño. Línea de aducción o impulsión:
Son tuberías usadas para transportar los caudales desde la obra de captación hasta el tanque de almacenamiento o la planta de tratamiento y consta de una serie de dispositivos necesarios para su buen funcionamiento, tales como: ventosas, limpiezas,desarenador, tanquillas rompe carga, válvulas reductoras de presión, codos, etc. La mayoría de las veces el agua es conducida en tuberías a presión, bien por gravedad o con la ayuda de bombas. Algunas veces, a lo largo de canales abiertos, puentes-canales y túneles. El tipo de conducto que se adopta depende de la topografía general del terreno a través del cual se tienden los conductos. Planta de Tratamiento:
Es el conjunto de estructuras y/o dispositivos destinados a dotar el agua de la fuente de la calidad necesaria para el consumo humano, es decir potabilizarla a través de diferentes procesos como: mezcla rápida, floculación, sedimentación, filtración, desinfección, etc. Tanque de Almacenamiento:
son depósitos para almacenar agua con el propósito de compensar variaciones de consumo, atender situaciones de emergencias como incendios, atender interrupciones de servicio y para prever diseños más económicos del sistema. Es necesario situar estos tanques, con relación al sistema de distribución a fin de asegurar un servicio eficiente.
Línea Matriz: Es el tramo de tubería destinado a conducir el agua desde el tanque de
almacenamiento y/o la planta de tratamiento hasta la red de distribución. Red de Distribución: Es el conjunto de tuberías y accesorios destinados a conducir las
aguas a todos y cada una de los usuarios a través de las calles. Estas redes a su vez pueden ser abierta o cerradas. Acometida Domiciliaria: Es el tramo de tubería que conduce las aguas desde la red de
distribución hasta el interior de la vivienda. En este tramo de tubería se colocan los contadores o medidores que son equipos destinados a medir la cantidad de agua que utiliza cada usuario.
Caudales de Diseño de un Acueducto
Los diferentes componentes del sistema de abastecimiento de agua potable se diseñan tomando en cuenta las variaciones de consumo. Estas variaciones se expresan en función porcentual del consumo medio de la población, como: Caudal Medio Diario, Caudal Máximo Diario, Caudal Máximo horario, Caudal de Bombeo, Caudal de Incendio. Caudal medio Diario: Es el caudal correspondiente al promedio de los caudales diarios
utilizados por una población determinada, dentro de una serie de valores medidos. En virtud de la insuficiencia de datos medidos, el caudal medio diario se obtiene de la relación de la dotación necesaria y el parámetro de la población de diseño calculada. . Caudal Máximo Diario: Es el caudal máximo correspondiente al día de máximo consumo
de una serie de datos medidos, en ausencia de datos este caudal se consigue mediante la aplicación de un coeficiente de variación diaria entre 1,20(zonas húmedas) y 1,50(zonas secas). Caudal Máximo Horario: Es el caudal correspondiente a la hora de máximo consumo en el
día de máximo consumo y se obtiene a partir del caudal medio y de un coeficiente de variación horaria que varía entre 180% y 240%.
Caudal de Bombeo: Es el caudal requerido por las instalaciones destinadas a impulsar el
agua a los puntos elevados del sistema de abastecimiento de agua y no es más que estimar el caudal equivalente al caudal medio para el número de horas de bombeo necesaria que no puede exceder las 16 horas diarias. Caudal de Incendio: Es el Caudal destinado a combatir las emergencias por causas de los
incendios y para las zonas rurales este se estima entre cinco (5) y diez (10) litros por segundo. El incendio para las zonas urbanas está definido por las normas y depende del tipo de zona residencial.
Normativa de ANDA A la hora de diseñar una red de distribución de agua potable es necesario tomar en cuenta ciertos criterios de diseño para dicha red. Los más importantes a tener en cuenta en nuestro diseño son: CONSUMO DE AGUA
D= dotación doméstica urbana 80 a 350 l/p/d La dotación total incluirá además de la dotación doméstica el consumo comercial, público, etc. y un 20% para fugas y desperdicios. CONSUMOS ESPECIFICOS
Vivienda
Dotación total urbana ≥ 220 l/p/d
Locales comerciales 20 l/m2/d Hoteles 500 l/hab/d Pensiones 350 l/hab/d Restaurantes 50 l/m2/d
Otros
Escuelas
Externos 40 l/alumno/d Internados 200 l/p/d Personas no residentes 50 l/p/d
Hospitales 600 l/cama/d
Clínicas
Médicas 500 l/consultorio/d Dentales 1000 l/consultorio/d
Mínima 80 - 125 l/p/d Media 125 - 175 l/p/d Alta 175- 350 l/p/D
Mercados, puestos 15 l/m2/d Cines, teatros 3 l/asiento/d Oficinas 6 l/m2/d Bodegas 20 l/m2/d Gasolineras 300 l/bomba/d Estacionamientos 2 l/m2/d Industria 80 l/p/turno Jardines 1.5 l/m2/d Lavanderías 50 l/kg/r.sec Cantareras 30 l/p/d
VARIACIONES DE CONSUMO
Los diferentes elementos del Sistema se diseñarán considerando los siguientes coeficientes de variación de consumo de agua: Consumo máximo diario: 1.2 a 1.5 consumo medio diario Consumo máximo horario: 1.8 a 2.4 consumo medio diario Coeficiente de variación diaria K1= 1.2 a 1.5 Coeficiente de variación horaria K2 = 1.8 a 2.4 Coeficiente de variación mínima horaria K3= 0.1 a 0.3 consumo medio diario
HIDRANTES
En hidrantes para incendio se considerará un consumo de agua de 12 lts. en 2 horas, una presión dinámica residual mínima de 10 m.c.a. y un radio de acción de 150 m medidos sobre el eje de la calle. Los hidrantes serán de tipo tráfico y se ubicarán de preferencia en bocas-calles, con una separación máxima de 300 m y tubería de alimentación con diámetro mínimo de ø 4” se podrá utilizar ø 3” debidamente justificado.
FUENTE
Las aguas superficiales y/o aguas subterráneas, que alimentarán el sistema, deberán satisfacer las siguientes condiciones: a) Caudal Aprovechable
El caudal aprovechable será igual o mayor a la demanda máxima diaria de agua a final de período. El caudal disponible de la fuente deberá comprobarse con un “Estudio Base”
fundamentado en Balances Hidrológicos, investigaciones hidrogeológicas y/o coeficientes hidráulicos de acuíferos y pozos. En el caso de pozos el caudal aprovechable será igual o mayor que la demanda máxima diaria suministrada en un período no mayor de 20 horas de bombeo. En caso de que el caudal aprovechable sea menor a QmxD, se podrán construir reservorios para compensar la demanda máxima horaria. b) Calidad del agua
ANDA proporciona un reglamento de la calidad del agua de acuerdo con Métodos Standar APHA-AWWA, pero para nuestro caso supondremos que toda el agua es de buena calidad.
ADUCCION a. Caudal de diseño
a.1) Sistema sin tanque de Almacenamiento: Será igual al caudal máximo horario a.2) Sistema con tanque de Almacenamiento, antes de la red Será igual al caudal máximo diario multiplicado por el coeficiente 24/n, siendo n número de horas de funcionamiento de la aductora en los sistemas abastecidos por bombeo de pozo n como máximo 20 horas. En los sistemas con planta potabilizadora, la aductora captación- planta se dimensionará con 1.05 caudal de diseño para atender el retrolavado de filtros, li mpieza de sedimentadores, etc. b. Aducción
Las aductoras en conducto libre se dimensionarán con la fórmula de Manning; considerando el diámetro interno real de la tubería. Se podrá usar canales cubiertos de diferentes secciones (Trapezoidal, circular, rectangular, ovoide, herraduras) y materiales (concreto, mampostería, roca, etc.), con una velocidad mínima de 0.50 m/s para evitar la sedimentación de la materia suspendida, y una velocidad máxima para evitar la erosión de las paredes, la velocidad máxima dependerá del material del canal; mampostería revestida, concreto, etc. En conducto forzado, se podrá usar tuberías de diferentes materiales: Acero, concreto armado, hierro fundido, PVC, etc, excepto asbesto cemento, El material a usar dependerá del caudal y características del agua a transportar (dureza, incrustación, corrosión, índice de Langelier), etc. Magnitud de presión de trabajo, costo, etc. La tubería trazada siempre abajo de la gradiente piezométrica, tendrá si fuere necesario válvulas de aire y purgas de lodo. La velocidad media de las tuberías será mayor de 0.50 m/s y menor de 2.5 m/s. Las aductoras gravitacionales a presión se dimensionarán considerando el diámetro interno real de la tubería y la fórmula de Hazen- Williams; si ø ≤ 2” se usará la fórmula de Flamant c. Línea de Impelencia
El diámetro de las líneas de impelencia se determinará a través del punto de inflexión mínimo de la curva de costo anual de inversión más operación vrs. Diámetros. Son aplicables los parámetros de diseño para conductos forzados descritos en el párrafo anterior relativos al literal b. ALMACENAMIENTO a. Volúmenes de Almacenamiento
Considerando las probabilidades de ocurrencia y la prioridad en las demandas, un diseño económico se alcanzará comparando el volumen necesario para atender las variaciones de consumo con la suma de los volúmenes de incendios y reparaciones o cortes de energía, para luego optar por la condición de mayor volúmen. Para incendio se considera un volumen de 90 m3 por sistema; para reparaciones se estimará el volumen aducido/hora durante un mínimo de 2 horas.
b. Volumen de variaciones horarias
Los tanques se diseñarán de acuerdo a la integración de la variación horaria senoidal del día de mayor consumo y los valores de K1 y K2 consecuentemente se adaptarán los volúmenes mínimos siguientes: 24 h/día de aducción 20% del consumo medio diario 20 h/día de aducción 30% del consumo medio diario 18 h/día de aducción 42% del consumo medio diario 16 h/día de aducción 48% del consumo medio diario
DISEÑO DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE: 1. Gasto medio diario para viviendas: De acuerdo a la norma de ANDA, La dotación de agua para vivienda de clase media es de 125-175 l/p/d. Cantidad de habitantes por Vivienda: 5 habitantes. Diseñando para un valor de dotación de 175 l/p/d. El gasto medio diario por vivienda:
Se cuenta con 357 Viviendas:
2. Gasto medio diario para Áreas verdes: La dotación para áreas verdes según la norma de ANDA es de 1.5 l/m 2/d. El área verde es 4928.45 m2
3. Gasto medio diario para Área de equipamiento social: La dotación de agua para un área de equipamiento social se considera como la dotación de oficinas, y su dotación será de 6 l/m 2/d.
Se obtiene un gasto medio diario Total de 3.9 lt/s, del cual, se considerará el 20% por fugas y desperdicio, obteniendo lo siguiente: ()
Hasta aquí creo que lo tengo bueno revísalo de ahí en adelante no se como va La norma establece que en hidrantes para incendio, se considerara un consumo de agua de 12lts. En 2 horas, es decir que
Ahora,
El gasto horario máximo será:
El gasto horario mínimo será:
Para el tanque de almacenamiento, se considerará 20 horas por día de funcionamiento, por lo tanto se tiene un factor de 30% de consumo diario.
() Calculando las dimensiones del tanque: Se cuenta con una relación de esbeltez de D= 2.25 h.
()
()
Las dimensiones a utilizar en el tanque son: h= 4m, y D= 9m. Por lo tanto se construirá el tanque con las dimensiones calculadas. Q diseño: Q máxh= k2Qmd.
El factor K2 según la normativa de Anda oscila en los siguientes valores (1.8-2.4) y se tomó un valor de k2=2.0. Entonces el Qmáxh=(2.0)(6.312)=12.624 lts/seg. El caudal máximo diario se obtiene de la siguiente expresión: Q máxd=k1Qmd. El factor K1 según la normativa de Anda oscila en los siguientes valores (1.2-1.5) y se tomó un valor de k1=1.5. Entonces el Qmáxd=(1.5)(6.312)=9.468 lts/seg. Con estos datos obtenidos se obtiene el caudal de bombeo el cual se obtiene de la siguiente fórmula:
()
Luego se hace la comparación de Qmáxd+Qincendio con Qmáxh que se hará a continuación: 9.468+12=21.468 lts/seg. > Qmáxh=14.49 lts/seg. Donde el caudal de diseño es Qd=21.468 lts/seg. Por lo tanto se pondrán 2 respiraderos de acuerdo a que el volumen que tenemos 247m3 ya que la norma de Anda establece que para un rango de volúmenes de (100500m3) se requieren 2 respiraderos de 3 pulgadas de diámetro. Entonces la distribución será la siguiente:
CONCLUSIONES
Con la ayuda de EPANET la corrida del sistema resulto mucho más fácil, ahorrándonos tiempo a la hora de terminar este trabajo.
RECOMENDACIONES
Para un proyecto real leer previamente las normas de ANDA y utilizar las especificaciones adecuadas con respecto a la red de interés y de esa forma evitarse problemas con las autoridades. En la medida de lo posible tratar de correr la red de distribución con la ayuda de algún software ya que de esta forma se evita la repetición manual de las corridas y por tanto el trabajo se vuelve más eficiente.
En este reporte lo más importante era que el diseño de la red resultara funcional pero, en la vida real diseñar sistemas que no solo sean funcionales sino que también resulten económicos para evitar gastos innecesarios.