Abastecimiento de agua by Elmer Diaz

2001

ABASTECIMIENTO DE AGUA INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA En la actualidad, ante el aumento dramático de la población en nuestro país y en general en el mundo entero, los diferentes servicios y recursos de que se dispone tienen que ser mejor administrados. La optimización de los recursos ha alcanzado todos los niveles de la vida humana. En el caso del agua, dicha optimización adquiere gran importancia, ya que la disponibilidad del vital líquido disminuye cada vez más y por lo tanto su obtención se dificulta y encarece de manera importante.

PEDRO RODRÍGUEZ RUIZ 01/01/2001

Pedro Rodríguez Ruiz

Abastecimiento de Agua

DIRECCIÓN GERENAL DE INSTITUTOS TECNOLÓGICOS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA TIERRA

ABASTECIMIENTO DE AGUA

PEDRO RODRÍGUEZ RUIZ

www.civilgeeks.com AGOSTO 2001

Pedro Rodríguez Ruiz

Reservados todos los derechos conforme a la Ley. Se permite la reproducción total o parcial de esta obra citando la fuente. Agosto – 2001.

Abastecimiento de Agua

Pedro Rodríguez Ruiz

Abastecimiento de Agua

INTRODUCCIÓN

En la actualidad, ante el aumento dramático de la población en nuestro país y en general en el mundo entero, los diferentes servicios y recursos de que se dispone tienen que ser mejor administrados. La optimización de los recursos ha alcanzado todos los niveles de la vida humana. En el caso del agua, dicha optimización adquiere gran importancia, ya que la disponibilidad del vital liquido disminuye cada vez más y por lo tanto su obtención se dificulta y encarece de manera importante. Un uso eficiente del agua implica la utilización de mejores sistemas de extracción, conducción y almacenamiento de agua; además del campo de la forma de pensar de los usuarios del recurso. Dentro de los sistemas de conducción, en el mercado existen tuberías fabricadas con gran diversidad de materiales, que dependiendo de las condiciones de operación se comportan de manera satisfactorias o no. El conjunto de las diversas obras que tienen por objeto suministrar agua a una población en cantidad suficiente, calidad adecuada, presión necesaria y en forma continua constituye un Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. El problema del agua potable no tiene solución permanente, por lo que en este aspecto siempre se debe estar buscando nuevas fuentes de Abastecimientos, realizando estudios hidrológicos o geohidrológicos para tener a la mano forma de ampliar los sistemas. Para desempeñar un papel activo en la solución a tales problemas, el Ingeniero Civil debe comprender claramente los fundamentos en que se basan. Por tanto, la finalidad de este libro es delinear los principios fundamentales de ingeniería implicados en las obras que constituyen el sistema de abastecimiento de agua potable e ilustrar su aplicación al proyecto. Las características anteriores se reflejan en las coberturas de los servicios de abastecimiento de agua potable y alcantarillado en el país. Las cifras disponibles señalan que un 30 % de la población total no cuenta con un sistema formal de abastecimiento de agua y que un 51 % no cuenta con alcantarillado sanitario. Históricamente, a los servicios de agua potable y alcantarillado se les ha inscrito en el campo de la salud pública. La razón es que siendo el agua fuente de vida, también es paradójicamente, vehículo para la transmisión de enfermedades tales como el cólera, la tifoidea, la disentería y la parasitosis intestinales. La salud humana depende no sólo de la cantidad de agua suministrada, sino también de la calidad de la misma; según la Organización Mundial de la Salud ( OMS). El presente libro está dirigido a los Estudiantes de Ingeniería Civil como consecución del aprendizaje de esta disciplina, apegado al programa de estudios vigente de “ABASTECIMIENTO DE AGUA” que forma parte de la currícula de Ingeniería Civil del Instituto Tecnológico de Oaxaca, a los catedráticos que imparten esta materia a fin de unificar criterios en la impartición de la misma y a los profesionistas que se dedican a diseñar, instalar y/o construir sistemas de agua potable en comunidades rurales y urbanas. El libro comprende VIII Capítulos el cual establece los criterios generales que se utilizan en el diseño de sistemas de Abastecimiento de Agua potable.

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El Capítulo I trata acerca de los estudios preliminares de carácter socioeconómicos y de campo que son necesario investigar para poder realizar el proyecto de un sistema de abastecimiento de agua, aplicando los métodos para determinar la población de proyecto, así como de aplicar las especificaciones que nos indica las normas de diseño, se plasma varios ejemplos prácticos. El Capítulo II analiza las diferentes fuentes de abastecimiento de agua en la naturaleza y de las diferentes obras de captación de esta aguas. Se ven ejemplos prácticos. En el capitulo III, se aborda los tipos de líneas de conducción existentes , la metodología de diseño por gravedad y por bombeo, así como los materiales de la tuberías que se utilizan conducir el agua, diseño de cruceros y accesorios, realizándose una serie de ejercicios aplicativos. En el Capitulo IV, se destaca la importancia que representa la determinación de la capacidad de los tanque de regularización y la determinación del coeficiente de regularización para diferentes horas de bombeo y los planos tipos. El capitulo V, sobre distribución del agua, trata sobre los criterios de diseño de redes cerradas por el método de Hardy Cross, diseño de cruceros, accesorios y lista de piezas especiales. En el capitulo VI, comprende los diferentes tipos de tratamiento que se le da al agua y los componentes de una planta potabilizadora. El Capitulo VII, se aborda los procedimientos constructivos de las obras de captación, conducción, regularización y redes de distribución. Finalmente el Capitulo VIII, un ejemplo completo para la formulación de un proyecto ejecutivo de un sistema de agua potable de un localidad cualquiera, con su calendario de obra y presupuesto. Como anexo se presenta un cuestionario para que el estudiante ejercite lo aprendido en el aula. Agradezco a la Academia de Ingeniería Civil, al jefe del Departamento de Ciencias de la tierra del Instituto Tecnológico de Oaxaca, el interés que mostraron y el apoyo recibido para su dictaminación para bien de los estudiantes, asimismo al Ing. Sergio Pablo Ríos Aquino por sus comentarios y aportaciones y al c . Alfonso Diego Martínez Pablo estudiante del octavo semestre de Ingeniería Civil, hoy ingeniero civil titulado y contratista quien capturo el material y dibujo los planos respectivos en autocad.

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INDICE PROLOGO INTRODUCCIÓN

PAGINA

CAPITULO I.- ESTUDIOS Y TRABAJOS DE CAMPO 1.1. 1.2. 1.2.1. 1.2.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9. 1.9.1

ANTECEDENTES HISTORICOS CALIDAD DEL AGUA ANÁLISIS FISICOS, QUÍMICOS Y BACTERIOLÓGICOS ESPECIFICACIONES DEL AGUA POTABLE INFORMACIÓN BÁSICA PARA EL PROYECTO POBLACIÓN DE PROYECTO DEMANDA DOTACIÓN VARIACIÓN DE CONSUMO GASTOS DE DISEÑO DATOS DE PROYECTO EJERCICIOS

1 6 7 10 15 25 29 30 35 38 40 45

CAPITULO II. OBRAS DE CAPTACIÓN 2.1. 2.2. 2.3. 2.4.

FUENTES DE ABASTECIMIENTO OBRAS DE CAPTACIÓN METEORICAS OBRAS DE CAPTACIÓN SUPERFICIALES OBRAS DE CAPTACIÓN SUBTERRÁNEAS

62 66 70 78

CAPITULO III. LÍNEAS DE CONDUCCIÓN 3.1 3.1.1. 3.1.2. 3.1.3. 3.1.4. 3.1.5. 3.1.6. 3.2. 3.2.1 3.2.2. 3.2.3.

DISEÑO DE UNA LINEA DE CONDUCCIÓN POR GRAVEDAD MATERIALES ESPECIFICACIONES DISEÑO DEL DIÁMETRO ECONÓMICO ACCESORIOS Y PIEZAS ESPECIALES DISEÑO DE CRUCEROS ESPECIFICACIONES PARA DISEÑO DE CANALES REVESTIDOS DISEÑO DE UNA LINEA DE CONDUCCIÓN POR BOMBEO MÉTODOS DE DISEÑO PLANTA DE BOMBEO ESTUDIOS AUXILIARES

108 124 126 153 166 196 196 198 203 225 228

CAPITULO IV. REGULARIZACIÓN Y ALMACENAMIENTO 4.1. 4.2. 4.3. 4.4.

RÉGIMEN DE DEMANDA Y RÉGIMEN DE APORTACIÓN COEFICIENTE DE REGULARIZACIÓN CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DEL TANQUE DE REGULARIZACIÓN PLANOS TIPOS DE TANQUES SUPERFICIALES Y ELEVADOS

241 250 258 265

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CAPITULO V. REDES DE DISTRIBUCIÓN DEL AGUA 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.5.1. 5.5.2. 5.5.3. 5.5.4.

INFORMACIÓN REQUERIDA PARA EL DISEÑO DE UNA RED TIPOS DE REDES DE DISTRIBUCIÓN ESPECIFICACIONES MATERIALES Y ACCESORIOS DISEÑO DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓN CERRADA MÉTODO DE HARDY CROSS PARA BALANCEO DE CARGAS DISEÑO DE CRUCEROS LISTA DE PIEZAS ESPECIALES Y CUANTIFICACIÓN PLANOS EJECUTIVOS

274 277 290 297 309 309 318 326 333

CAPITULO VI. TRATAMIENTO DEL AGUA 6.1. 6.2. 6.3.

TIPOS DE TRATAMIENTO AL AGUA COMPONENTES DE UNA PLANTA POTABILIZADORA PLANOS

340 348 351

CAPITULO VII. PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS 7.1. CONSTRUCCIÓN DE OBRAS DE CAPTACIÓN 7.1.1 CISTERNAS 7.1.2 GALERIAS FILTRANTES 7.1.3 POZOS SOMEROS Y PROFUNDOS 7.2. CONSTRUCCIÓN DE LÍNEAS DE CONDUCCIÓN Y REDES DE DISTRIBUCIÓN 7.2.1 TENDIDO DE TUBERÍAS EN ZANJAS 7.2.2 TUBERÍAS SOBRE SILLETAS 7.2.3 CONSTRUCCIÓN DE CANALES REVESTIDOS 7.2.4 TENDIDO DE TUBERÍAS EN ZONAS URBANAS 7.3 CONSTRUCCIÓN DE TANQUES Y PLANTA POTABILIZADORA 7.3.1 SUMINISTRO DE EQUIPOS DE BOMBEOS 7.4. PRESUPUESTO E INTEGRACIÓN DE PRECIOS UNITRIOS

357 357 360 367 386 387 398 417 425 432 433

CAPITULO VIII. PROYECTO DE UN SISTEMA DE AGUA POTABLE 8.1. 8.2. 8.2.1. 8.2.2. 8.2.3. 8.2.4. 8.3. 8.4. 8.5.

MEMORIA DESCRIPTIVA DE LA LOCALIDAD MEMORIA DE CALCULO DEL SISTEMA CAPTACIÓN CONDUCCIÓN ALMACENAMIENTO Y REGULARIZACIÓN DISTRIBUCIÓN PLANOS EJECUTIVOS PROGRAMA DE OBRA PRESUPUESTO BIBLIOGRAFIA ANEXOS CUESTIONARIO

441 446 450 452 453 454 459 463 466

Un libro de texto para la enseñanza de la materia de abastecimiento de agua apegado al programa de estudios de la carrera de Ingeniería Civil que se imparten en los Institutos Tecnológicos del país no es la participación única del autor sino un resumen de experiencias propias y ajenas en la tarea de transmitir conocimientos. Un libro de texto no es únicamente para leerlo sino para utilizarlo como instrumento de trabajo. Creo que este trabajo puede considerarse como un libro de texto adecuado a las necesidades del estudiante de la carrera de ingeniería civil. El suministrar agua potable a las comunidades rurales y urbanas es una disciplina de la ingeniería civil que tiene por objeto el proyecto de un sistema de abastecimiento de agua tomando como base los estudios preliminares de carácter socioeconómicos, técnicos de campo y gabinete. El tratar de iniciar la construcción de un sistema de abastecimiento de agua potable sin contar con un proyecto ejecutivo del mismo, es quizá uno de los mayores riesgos que puede correrse en el campo de la ingeniería civil.

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Ingeniero Civil, egresado de la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura del Instituto Politécnico Nacional en 1974. En 1998-1999, realizo la Maestría en Administración de la Construcción impartida por el Instituto Tecnológico de la Construcción, en la Cámara Mexicana de la Industria de la Construcción Delegación Oaxaca, con 33 años en el ejercicio profesional y 30 en la Docencia, ha participado en diferentes cursos y seminarios de actualización Profesional destacando : Proyecto de Obras de Abastecimiento de Agua, correspondiente al plan nacional de adiestramiento de la Dirección General de Construcción de Sistemas de Agua Potable y Alcantarillado en la extinta S.A.H.O.P , Estudios y Proyectos de Agua Potable y Alcantarillado, Tratamiento de Aguas Residuales impartidos por la extinta C.O.C.S.O.S.A.P.A.E.O. seminario de Directores Responsables de Obra y Corresponsables, seminario de Seguridad Estructural y Protección Civil, seminario sobre la Ley de Obras Publicas y Servicios Relacionados con las mismas y Proforma del Reglamento Federal, impartidos por la Asociación Mexicana de Directores Responsables de Obra y Corresponsables, Taller sobre Normas Oficiales Mexicanas del Sector Hidráulico impartido por la Comisión Nacional del Agua, CursoTaller “ Manejo Integral del Agua”, “ Problemática de la Contaminación”, y “ Planeación Estratégica”. Ha colaborado como proyectista en la extinta S. R. H y en la S. A. H. O. P., Coordinador de supervisión con la empresa BOLCA. S.A. de C.V.. Coordinador general de obra en el I.V.O del Gobierno del Estado, Jefe de Departamento de Inspección y Vigilancia en la extinta SEDUE, jefe de la oficina de Inspección de la Dirección de Ecología Municipal, Administrador Único de la empresa Constructora PSUCO, S.A. DE C.V. y Subdirector General del Instituto Estatal de Ecología de Oaxaca. Profesor de asignatura en la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura del I. P. N. en Ingeniería civil. Profesor Titular “B” de tiempo completo en el Instituto Tecnológico de Oaxaca, presidente de la Academia de Ingeniería Civil en tres ocasiones, Socio fundador de la AMDROC, delegación Oaxaca. A.C. y Primer Presidente de AMDROC- OAXACA. Asesor de tesis, profesor en los seminarios de Titulación en el área de Hidráulica. Miembro de la comisión Estatal de Admisión de Directores Responsables de Obra y Corresponsable del Estado de Oaxaca, y Vicepresidente del Colegio de Ingenieros Civiles del Estado de Oaxaca. A.c.

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CAPITULO I.- ESTUDIOS Y TRABAJOS PREVIOS 1.1.- ANTECEDENTES HISTÓRICOS Desde los tiempos más remotos el agua ha constituido un factor fundamental en el desarrollo y la estructuración política, social y económica de los pueblos, considerando que el agua es uno de los elementos fundamentales para la vida, gracias a ella el hombre puede desarrollarse y transformarse. El hombre utiliza grandes cantidades de agua para sus actividades cotidianas ( beber, cocinar, lavar, w.c, aseo personal etc.) pero mucho màs para producir alimentos, papel, ropa y demàs productos que consume. La huella hídrica de un paìs se define como el volumen total de agua que se utiliza para producir los bienes y servicios consumidos por sus habitantes. El concepto de huella hídrica fue introducido con el fin de proporcionar información sobre el uso de agua por los diferentes sectores. Los principales factores que determinan la huella hídrica de un paìs son : a) el consumo de agua promedio per càpita, relacionado con el ingreso nacional bruto, b) los hàbitos de consumo de sus habitantes, c) el clima, en particular la demanda evaporativa y d) las pràcticas agrícolas. La huella hídrica mundial por categoría de consumo en el año 2001 fue de: Uso domèstico 4.6 %, Industrial 9.6 % y Agricultura 85. 8 % . La dueña de nuestras vidas es el agua, porque constituye un importante porcentaje en la composición de los tejidos de nuestro cuerpo y de todos los seres vivos, El cuerpo humano de una persona adulta está compuesto en un 60 % por agua. El cuerpo de un niño contiene aproximadamente 75 % de agua. El cuerpo humano puede vivir varias semanas sin alimentos, pero puede sobrevivir sólo unos pocos días sin agua. Unos 220 millones de personas que viven en ciudades de países en desarrollo carecen de una fuente de agua potable cerca de sus hogares. El 90 % de las aguas de desechos de las ciudades de los países en desarrollo se descarga sin tratar en ríos, lagos y cursos de aguas costeras. El hombre requiere de 50 y 250 litros de agua diariamente para satisfacer sus necesidades de tipo domestico. La agricultura consume entre el 60 % y el 80 % de los recursos de agua dulce en la mayoría de los países, y hasta el 90 % en otros. Para la generación de un kilowatt-hora se emplean 4,000 litros promedio. En la industria, para producir un litro de petróleo se necesitan consumir 10 litros de agua; para un kilo de papel 100 litros; para una tonelada de cemento 4,500 litros; y para una tonelada de acero se requieren 20 mil litros. La realidad que se nos presenta hoy, nos obliga a reflexionar sobre la problemática del agua. El agua es un asunto de seguridad nacional. Gobiernos y sociedad estamos haciendo esfuerzos decididos para mejorar la calidad del agua, garantizar su acceso a todos los mexicanos y preservarla para beneficio de nuestros hijos” Acceso al agua potable. El acceso al agua potable se mide por el número de personas que pueden obtener agua potable con razonable facilidad, expresado como porcentaje de la población total. Es un indicador de la salud de la población del país y de la capacidad del país de conseguir agua, purificarla y distribuirla. El agua es esencial para la vida. Sin embargo, más de Mil millones de personas carecen de acceso al agua potable. Casi dos mil millones de personas carecen de acceso a servicios de saneamiento. La mayoría de esas personas vive en países de ingreso bajo y mediano.

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¿ Que es el agua potable y por qué es importante? El agua potable es el agua de superficie tratada y el agua no tratada pero sin contaminación que proviene de manantiales naturales, pozos y otras fuentes. Sin agua potable, la gente no puede llevar una vida sana y productiva. Abundar en el tema de la calidad del agua se torna todavía más complejo, si entendemos que diariamente alrededor de cinco mil personas mueren en el planeta a causa de una enfermedad de origen hídrico y que de éstas, el 90 por ciento son niños. como la Tifoidea, Paratifoidea, disinteria, gastroenteritis, la Bilharziasis y el Cólera. El agua potable escasea porque generalmente se la valora muy poco y se utiliza en forma ineficiente. A medida que la economía de un país se hace más fuerte, y a medida que aumenta su Producto Nacional Bruto ( PNB) per capital, generalmente un mayor porcentaje de la población tiene acceso a agua potable y servicios de saneamiento. En promedio, una persona necesita unos 20 litros de agua potable todos los días para satisfacer sus necesidades metabólicas, higiénicas y domésticas. Históricamente, el desarrollo de los pueblos ha estado estrechamente vinculado con el agua. Los primeros asentamientos humanos de importancia se ubicaron donde el agua estaba disponible. De esta manera tuvieron fácil acceso a ella para usos agrícolas, urbanos y PRE- industriales. Cuando el crecimiento urbano asociado con el incremento de las actividades industriales y del sector terciario llega a superar la disponibilidad del agua local o cercana, se alteran los usos del agua. Así, la empleada en riego, se cambia a la industria o a las ciudades, o bien, resulta obligado el importarla de otras cuencas, a distancias considerables y con altos costos económicos y a veces sociales. El concepto "cultura del agua" se relaciona con la cantidad de información y los conocimientos que uno tiene sobre el recurso, porque sólo así uno toma conciencia sobre la realidad del agua en el mundo y sobre el verdadero problema que enfrentamos como humanidad. Cuando estamos concientes de que en el mundo sólo el 1 por ciento es agua dulce disponible para nuestro uso y que con ella debemos vivir más de seis mil millones de personas, entonces la atención se vuelve mayor. Abundar en el tema de la calidad del agua se torna todavía más complejo, si entendemos que diariamente alrededor de cinco mil personas mueren en el planeta a causa de una enfermedad de origen hídrico y que de éstas, el 90 por ciento son niños. ¿Se acabará el agua? La respuesta es no, sin embargo cada día hay que traerla de más lejos y es menos suficiente para todos. La población crece, pero la cantidad de agua es la misma desde siempre. El ciclo hidrológico hace lo suyo, pero nosotros debemos aprender a respetar la vida de las generaciones futuras. Si bien es cierto que con recursos se podría construir mucha infraestructura, ésta no serviría de nada, ¿cuánto pagaríamos por el agua si no la tuviésemos? el agua que desperdiciamos, se la estamos quitando a alguien más. ¿Es necesario tener a la persona enfrente y negarle un vaso de agua para saber lo que hacemos? Aprendamos más sobre el agua y asumamos la responsabilidad: cuidarla cobrarla pagarla o legislar a su favor. Sólo así protegeremos la vida en nuestro planeta. EL AGUA EN MÉXICO

En los últimos cincuenta años, México pasó de ser considerado como un país con alta disponibilidad de agua percápita, a ser considerado como uno de baja disponibilidad, debido, principalmente, al crecimiento demográfico. Así, mientras que la disponibilidad anual promedio de agua percápita en Europa es de 8,576 m3, en Norte América, de 15,369, en Latinoamérica, de 38,562, y en África, de 5,488, en México es de 4,986 m3. De hecho, en algunas cuencas

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hidrográficas del país, como la del Valle de México, la disponibilidad es al menos cinco veces al promedio mundial. En México, se precipita anualmente una lámina promedio de 772 mm sobre el territorio nacional, que equivalen a un volumen de 1,511 km3 de agua, pero dos terceras partes de ella ocurren en forma torrencial de junio a septiembre, lo que hace muy difícil su aprovechamiento. Además, el 30% de la superficie del país, en el norte, se genera tan solo el 4% del escurrimiento, mientras que en el 20% del territorio, en el sureste y zonas costeras, se genera el 50% del escurrimiento. Estas irregularidades espaciales y temporales plantean un reto especial en el manejo del agua. La distribución de la población y de las actividades económicas agravan ese desequilibrio natural. Así, en las regiones que alojan al 76% de la población y que generan cerca del 77% del PIB, la precipitación pluvial representa solamente el 20% del total en el país. Esto ha producido una muy fuerte competencia por el recurso, contaminación y sobreexplotación de acuíferos. De acuerdo con los últimos balances disponibles, se estima que el 76.3% del volumen de agua consumido en México se destina a la agricultura, el 17% al uso público, el 5.1% a la industria, el 1.4% a la acuacultura y el 0.2% a procesos de enfriamiento en plantas termoeléctricas.

La cobertura nacional de agua potable es del 86% y la de alcantarillado, del 72%, por lo que cerca de 13 millones de habitantes carecen de agua potable y 27 millones, de alcantarillado. La situación es aún más preocupante en el medio rural, en el que se estima que las coberturas son de 64% para agua potable y 32% para alcantarillado. Las pérdidas de agua potable por fugas se han estimado en una cifra promedio del 35%. Esto implica que de los 13.5 km3 que se consumen 3 anualmente para uso público, se desperdician 4.7 km (esto es, 4,700,000,000,000 litros). Adicionalmente, sólo el 22% de las aguas residuales municipales reciben tratamiento. En la mayor parte del territorio se emplean ineficientes métodos de riego. Se ha estimado que la eficiencia promedio de riego es del 37%. Dicha cifra incluye las pérdidas de conducción, distribución y aplicación parcelaria, e implica que de los 60.5 km3 de agua que se consumen anualmente para uso agrícola4, se desperdicien 38.1 km3 (esto es, 38, 100, 000, 000,000 litros) al año. La deficiente aplicación del agua en zonas de riego ha provocado el ensalitramiento de alrededor de 600 mil hectáreas en los distritos de riego, es decir, casi el 20% de las 3.4 millones de hectáreas que se ubican en ellos. Esto ha provocado una importante disminución en la producción de las tierras afectadas.

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El cobro de derechos por uso agrícola es nulo. A los usuarios agrícolas del recurso sólo se les cobra una cuota por el servicio de riego. La falta de cobro de derechos por el uso agrícola del agua ha fomentado una cultura de desperdicio del líquido en la agricultura. La descarga de aguas residuales industriales genera tres millones de toneladas de demanda bioquímica de oxígeno al año, que representan el 170% de la carga contaminante de las aguas residuales municipales de todo el país. Únicamente el 21% de las aguas residuales industriales recibe tratamiento previo a sus descargas. La contaminación puntual del agua, producida por la industria y las poblaciones, palidece ante la contaminación difusa, producida principalmente por la agricultura. En México no existen indicadores a este respecto, pero se estima que en Estados Unidos de América la carga de contaminación difusa es 16 veces mayor que la correspondiente a la contaminación puntual. La problemática del agua en nuestro país es enorme. Es urgente atenderla, no solamente a través de planes y programas de gobierno, sino también mediante la participación social y la educación. Es indispensable que el estado mexicano y la sociedad en su conjunto unan esfuerzos para enfrentar la severa crisis hídrica en la que está inmersa nuestra nación. De no hacerlo en el cortísimo plazo, la escasez del recurso en cantidad y calidad apropiadas seguirá siendo un freno de magnitud creciente para el desarrollo del país. Por ello, la Ley de Aguas Nacionales de 1992 contempla la creación de Consejos de Cuenca, como instrumentos de coordinación y concertación entre la Comisión Nacional de Agua, instancias federales, estatales y municipales, y los representantes de los usuarios de la respectiva cuenca hidrológica. La lógica de gestión del agua es distinta de la correspondiente a otros recursos naturales o producidos por el hombre. Se puede vivir sin electricidad, se puede vivir sin petróleo, pero nunca sin agua. El agua no sólo es un recurso, natural vulnerable y finito, también es un insumo y como tal, debe tener un valor económico. El agua toca todas las esferas de la actividad humana. De acuerdo con la Global Water Partnership, la gestión moderna del agua debe ser integral, sustentable, eficiente, incluyente y equitativa, y por cuenca. La gestión integral relaciona los aspectos físicos, con los institucionales, con los económicos y de participación social. La gestión sustentable busca aprovechar el recurso de modo que se logre el crecimiento económico y la equidad social, con respecto al medio ambiente. La gestión eficiente aspira lograr una mayor productividad del agua. La gestión incluyente y equitativa promueve la participación social en la toma de decisiones y la vía de la negociación entre usos y usuarios en conflicto, de modo que se logre el mayor beneficio para los habitantes de una cuenca. La gestión por cuenca reconoce la unidad geográfica natural que capta las aguas precipitadas de la atmósfera y, como tal, se constituye en eslabón prominente del ciclo hidrológico amen de ser el marco más apropiado para el balance de aguas, y por lo tanto, de la planeación hídrica. Hidrografía México cuenta con 314 cuencas, clasificadas en 37 regiones hidrológicas y en 13 regiones hidrológico administrativas. Regiones Hidrológicas en nuestro país: I.- Peninsula de Baja California Norte ( Mexicali, Baja California) La precipitación media anual es inferior a 200 mm, la más baja en el país; la franja fronteriza en la cual se concentra el 74 % de la población regional, depende en gran medida del Río Colorado. Ante la ausencia de escurrimientos superficiales e infraestructura de importancia, el resto de la península se abastece principalmente con agua subterránea. La sobreexplotación de los acuíferos costeros ha provocado problemas graves de intrusión salina, principalmente

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en los acuíferos de la Paz, los Planes y Santo Domingo en Baja California Sur y San Quintín y Maneadero, en Baja California. II.- Noroeste ( Hermosillo, Sonora) Es una región árida y semiárida; en los últimos cincuenta años se han registrado tres periodos 2 críticos de sequías. Posee una muy baja densidad de población con tan sólo 10.1 hab. /km2 su desarrollo se basa en la agricultura de riego, la cual emplea el 93 % del agua en la región. La sobreexplotación de acuíferos, sobre todo de los costeros como el de Guaymas y Costa de Hermosillo, ha provocado intrusión salina. Por otra parte, la industria minera contamina de manera importante las corrientes y los cuerpos de agua. III.- Pacifico Norte (Culiacán, Sinaloa) La actividad agrícola concentrada en la parte norte de la región, es de las más importantes del país y constituye el eje económico regional. La superficie bajo riego asciende a 856 mil hectáreas y emplea el 92% del agua que se extrae para usos consuntivos. En la parte norte, existen problemas de ensalitramiento en alrededor de 110mil hectáreas, uso ineficiente del agua en la agricultura (cerca del 50% de eficiencia total en promedio), así como contaminación proveniente de descargas municipales y de la actividad agrícola, la cual afecta los ecosistemas costeros que son hasta ahora, la base de la actividad camaronícola más importante del país. El potencial de agua y suelo de la porción sur no se ha aprovechado plenamente. IV.- Balsas ( Cuernavaca, Morelos) La región está conformada en su totalidad por la cuenca del río Balsas, una de las más importantes del país. El 71% de la población se concentra en la parte alta de la cuenca en ciudades como Puebla, Cuenavaca y Tlaxcala. La región exporta el 7 % del volumen de agua que se extrae de ella para la Región XIII Valle de México. Existen problemas de sobreexplotación de acuíferos en la parte alta de la cuenca, así como contaminación originada por la falta de tratamiento de los efluentes de ciudades e industrias, principalmente ingenios azucareros e industrias textiles. V.- Pacifico Sur (Oaxaca, Oaxaca) 3

Es la tercer región del país por la magnitud de sus escurrimientos (37 mil millones de m al año en promedio); sin embargo su aprovechamiento es muy escaso (5%) en virtud de las fuertes variaciones estaciónales y de la insuficiencia de infraestructura. Los escurrimientos sin control generan inundaciones que afectan severamente a la población y a la infraestructura productiva y de servicios. Existe una alta marginalidad generalizada, de la cual se excluyen sólo parcialmente algunos núcleos urbanos y turísticos como Oaxaca, Chilpancingo y Acapulco. Las coberturas de agua potable y alcantarillado son de las más bajas a nivel nacional, especialmente en el medio rural donde tienen un valor del 40 y 10% respectivamente. Se presentan bajos niveles de eficiencia en riego (menos del 30% en distritos) y un alto porcentaje de infraestructura hidrológica desaprovechada (alrededor de 50%). VI.-Rio Bravo (Monterrey , Nuevo Leòn)

Con 20 % del territorio nacional, es la región más extensa; abarca la mitad de la superficie de la cuenca del río Bravo, que comparten México y los Estados Unidos de América. A pesar de ser una zona árida cuenta con una importante superficie de riego (885 mil hectáreas). En ella están ubicados importantes centros de población, como Monterrey y Ciudad Juárez. Existe

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fuerte competencia por el agua, principalmente entre el uso público y agrícola; situación que se ve agravada por la incidencia de sequías frecuentes. De los 71 acuíferos identificados, veinte se encuentran sobreexplotados, particularmente en los estados de Chihuahua y Coahuila. Existe contaminación de tipo municipal en el cauce de los ríos Bravo y San Juan. VII.- Cuencas Centrales del Norte ( Torreón; Coahuila). Las cuencas que conforman la región se caracterizan por ser cerradas. La disponibilidad natural de agua es inferior a los 1,000m3/hab. / año, por lo que experimenta escasez crónica de agua. A pesar de ello, por ser la cuenca en la que se tiene la producción lechera más importante del país, el agua se emplea en el riego de forrajes, los cuales son altos consumidores de agua. Un gran número de acuíferos se encuentran severamente sobreexplotados como el Principal y el de Cevallos, que presentan abatimientos anuales de hasta 2 metros. La incidencias sequías que ocurren con una cierta frecuencia en la región, agrava esta situación. VIII.- Lerma - Santiago – Pacífico ( Guadalajara, Jalisco ) Después del Valle de México ésta es la región que concentra mayor población e industria del país; contribuye con el 16% al PIB nacional. La agricultura de riego también es importante, abarca 1.4. Millones de hectáreas (el 22% del total en la república). A pesar de que la región cuenta con un clima templado y una precipitación media de 735 mm las crecientes demandas han ocasionado la disminución del-agua en el Lago de Chapala, el más extenso del país y la sobreexplotación de 24 de los 122 acuíferos identificados, principalmente en Guanajuato, Querétaro y Aguascalientes. La zona Lerma Chapala es una de las más contaminadas del país; en p1ayor medida en las corrientes de los ríos Lerma, Santiago, Turbio, Ameca, Mololoa, San Pedro y Calvillo. IX.- Golfo Norte ( Ciudad Victoria, Tamaulipas ) Poco más de la mitad de la población de la región se ubica en más de 21 mil comunidades rurales que presentan gran dispersión, lo que dificulta el suministro de los servicios de agua potable y saneamiento. Las inundaciones afectan frecuentemente a las poblaciones y áreas productivas. Los principales acuíferos están sobreexplotados y el río Pánuco, principal cuerpo de agua superficial de la región, presenta problemas de contaminación por las aguas residuales provenientes del Valle de México y de poblaciones e industrias de la región. X.- Golfocentro ( Xalapa, Veracruz ) Es la segunda región del país por la magnitud de sus escurrimientos (98 mil millones de m3 al año en promedio). De sus nueve millones de habitantes, el 71 %habita en 23,540 localidades menores de 100 mil habitantes, lo que dificulta el elevar las coberturas de agua potable y saneamiento, particularmente en el medio rural, que son alrededor del 40 y 25% respectivamente. El tratamiento de las aguas residuales municipales es sólo del 5%, lo que en buena parte contribuye a la contaminación de los cuerpos de agua. XI.- Frontera Sur ( Tuxtla Gutiérrez, Chiapas ) Es la región de mayor escurrimiento de agua en el país con 156 mil millones de m 3 al año en promedio, que representa el 38% del total nacional. No obstante que los usos no son consuntivos son los mayores del país, ya que el 40 % de la capacidad hidroeléctrica se encuentra en esta región, sólo el 0.8% de los cuantiosos escurrimientos es aprovechado para otros usos. Esto en razón de las fuertes variaciones estaciónales de los caudales y la insuficiencia de infraestructura para aprovecharlos. Además, los ríos que no son regulados, provocan inundaciones que afectan severamente a la población, así como a la infraestructura productiva y de servicios. Salvo la

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planicie de Tabasco, parte de la Costa de Chiapas y la depresión central del estado de Chiapas, existen graves carencias en materia de agua potable y saneamiento en el medio rural. XII.- Peninsula de Yucatán ( Mérida, Yucatán)

La Península de Yucatán está constituida por calizas y dolomitas cársticas que se caracterizan por su alta permeabilidad, lo que aunado a la elevada precipitación y reducida pendiente del terreno favorece la recarga del agua subterránea, estimada en 31,000 hm3 al año (el 46 % del país); el agua subterránea satisface el 91 % de la demanda. Existe muy poca infraestructura de alcantarillado y el 92 % de la población utiliza fosas sépticas o simples pozos de absorción, con los riesgos de contaminación inherentes de los acuíferos. Si bien el agua subterránea a nivel región es abundante, existen serios problemas de abastecimiento en algunas zonas; ejemplo de ello son Cancún y Cozumel. La región padece frecuentemente de fenómenos extremos; los ciclones tropicales se presentan principalmente en Yucatán y Quintana Roo. XIII.- Valle de México ( México, D. F )

En esta región que ocupa menos del 1 % del territorio nacional, habita el 20 % de la población y se genera el 33% del producto interno bruto del país. La desmesurada concentración y crecimiento de la población e industria impiden que los recursos propios sean suficientes; tiene la disponibilidad más baja del país con 227 m3/hab./año, por lo que desde la década de los años cincuenta ha sido necesario importar agua de las cuencas de otras regiones. De la última de ellas, el agua tiene que ser elevada 1,200 m y conducida 140 Km. para llegar a la ciudad de México a través del Sistema Cutzamala. Actualmente la cuenca del Valle de México obtiene el 25% del agua que consume de las fuentes externas. Aún con esta importación tiene que sobreexplotar sus acuíferos, los cuales presentan abatimientos anuales del orden de un metro y ocasionan hundimientos considerables del terreno. Las aguas residuales prácticamente no reciben tratamiento, con el consecuente riesgo ambiental y de salud pública, especialmente en el Valle del Mezquital, en el estado de Hidalgo, que emplea en el riego de ciertas variedades las aguas residuales provenientes de la ciudad de México.

Problemática del agua en Mexico La crisis del agua potable en el país alcanza cada vez niveles más preocupantes: cada año se pierden 5 mil millones de metros cúbicos debido a fugas y tomas clandestinas, lo que representa un costo financiero de alrededor de 20 mil millones de pesos; es decir, unos 55 millones de pesos diarios aproximadamente, según información del Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México.

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Recursos Financiero Los problemas que enfrenta el país en la materia también tienen que ver con las altas necesidades de inversión y la escasez de recursos financieros. A esto se suma la necesidad de sustituir y rehabilitar gran parte de la infraestructura que ha rebasado su vida útil, alguna data de principios de la segunda década del siglo pasado, además de la baja eficiencia operativa de los sistemas. Uno de los puntos centrales es que los usuarios no pagan el costo real del líquido. Se encarece el servicio En virtud de que el servicio es cada vez más caro, fundamentalmente en 38 ciudades del país (entre ellas la de México, Ensenada, Monterrey, Acapulco y Zimapán) donde independientemente de la sobreexplotación de los mantos se requiere una mayor inversión para traer agua de otros sitios. Además se suma la insuficiencia de los servicios de cobro, es decir, que no se factura la totalidad de los metros cúbicos de agua que se utilizan en el país. Cabe mencionar que mil litros de agua representan un metro cúbico, cantidad que en promedio contienen los tinacos de casas habitación. Sobre Explotación En el país existen 102 acuíferos que se encuentran sobre explotados; es decir, la extracción es mayor a su recarga en por lo menos 10%. Desde 1975 ha aumentado sustancialmente el número de acuíferos sobreexplotados: 32 en 1975, 36 en 1981, 80 en 1985, 97 en 2001, y 102 en 2003. De ellos se extrae aproximadamente 57% del agua subterránea para todos los usos. Además, debido ala sobreexplotación, la reserva de agua subterránea se está minando a un ritmo de cerca de seis kilómetros cúbicos por año.

Contaminación En México se han destinado màs esfuerzo para suministrar agua para el consumo humano que para el alcantarillado y drenaje. En 2004, la cobertura nacional de alcantarillado fue de 77.5 %. La cobertura en las zonas urbanas de este servico ese mismo año fue de 90.7 % y en las zonas rurales fue de 38.5 %. E l tratamiento de aguas residuales municipales es aùn bajo en nuestro paìs. En 2003 se contaba con una capacidad instalada para procesar 89.6 m3/s en los sistemas municipales, pero sòlo se trataron alrededor de 60.2 m3/s. En ese mismo año, los centros urbanos generaron 255 m3/s de aguas residuales, de las cuales 80 % se colectò en alcantarillas y de èstas sòlo 29.7% fue tratada antes de ser vertidas a los cuerpos de agua. En 2003, las indutrias en todo el paìs descargaron alrededor de 8 km3 ( 258 m3/s )de aguas residuales. Esto equivale a màs de 9.5 millones de toneladas de DBO, de las cuales sòlo el 18 % se removieron mediante los sistemas de tratamiento. A diciembre de 2004 el paìs contaba con 1875 plantas de tratamiento de aguas residuales industriales, las cuales procesaban cerca de 27.4 m3 /s ( 10.6 % ) del volumen generado. La contaminación del agua por materia orgànica se evalúa por medio de la demanda bioquímica de oxìgeno ( DBO), que refleja la cantidad de este gas que se requiere para descomponer este tipo de desechos. Las bacterias coliformes fecales no suelen causar enfermedades, pero son buenos indicadores de la contaminación por descargas de aguas residualesdomèsticas y pecuarias y son faciles de detectar. El escurrimiento del agua hacia la parte baja de las cuencas hidrológicas acarrean nutrientes y pesticidas procedentes de superficies agrícolas y pecuarias, junto con los aportados en las descargas de aguas residuales, construbuyen a que se deteriore la calidad del agua de rìos y lagos.

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Cobertura de agua potable y suministro de agua La cobertura de agua potble en México fue en 2004 de 89.5 % . Sin embargo, la cobertura de este servicio aùn es mucho mayor en zonas Urbanas ( 95.6 % ) que en zonas rurales ( 71.3 % ). El suministro de agua de buena calidad en los sistemas de abastecimiento es importante para la salud e higiene de la población. A nivel nacional, se suministraron mas de 320 mil litros de agua por segundo para consumo humano, de los cuales el 95 % fue desinfectado. En promedio se suministran 264 litros diarios por habitante. Por entidad federativa, algunos estados como Hidalgo y Puebla apenas sobrepasan los 150 litros diarios por habitante y en Oaxaca reciben apenas 100 litros diarios por habitantes, en promedio.

Extracción de Acuíferos Más de 100 mantos del país se encuentran sobreexplotados, lo que significa que la extracción es superior a la recarga, al menos 10%. El agua no se encuentra disponible en cantidad suficiente ó con la calidad adecuada, ni en todos los sitios donde se requiere, ni durante todo el tiempo que se necesita; es decir, la distribución espacial y temporal del agua no coincide necesariamente con la distribución de su demanda, aunque este elemento tiene la propiedad de que puede almacenarse y transportarse con el objeto de hacer coincidir su oferta y demanda. Problemática del agua potable en el municipio de Oaxaca de Juárez, Oax. La Ciudadanía enfrenta la etapa más crítica del estiaje que son los meses de marzo, abril y mayo, pero hay reserva suficiente del líquido para atender las 68 mil 836 tomas domiciliarias que benefician a 500 mil personas, el gobierno estatal subsidia con más del 300 por ciento a los usuarios lo que representa anualmente un presupuesto de 180 millones de pesos. Los 40 pozos profundos que abastecen de agua a la ciudad capital han reducido su producción a casi la mitad, porque de los 850 litros por segundo que generaban, ahora se tienen 500 litros por segundo. La falta de conciencia de la sociedad, y de muchos usuarios que no entienden el valor del agua. La ciudad de Oaxaca tiene una de las tarifas más bajas del país. Un metro cúbico de agua cuesta $2.76 pesos, y el usuario sólo paga $ 0.63 centavos, lo que implica que se le subsidie con 2.13 centavos. Por consumo de 21 a 40 metros cúbicos se les subsidia con $1.80 pesos, ya que sólo pagan 0.95 centavos el metro cúbico; de 41 a 240 metros cúbicos , el subsidio es de $1.50 pesos porque pagan $1.26 pesos, mientras quienes consumen de 241 a 480 metros cúbicos se les subsidia con $1.26 pesos, tomando en cuenta que pagan $1.50 por metro cúbicos. Y quienes consumen de 480 en adelante, el subsidio es de 0. 86 centavos, porque el metro

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cúbico lo pagan a $1.90 pesos, lo que demuestra que este servicio aún es subsidiado por el gobierno, tomando en cuenta que las tarifas datan desde 1991, ante lo cual es necesario una revisión. Otro de los problemas son las tomas clandestinas y la fugas de agua en la ciudad por el deteriorado del sistema, ante lo cual es necesario que la ciudadanía tome conciencia de la importancia que representa el vital líquido. Para administrar adecuadamente el agua, tenemos que cambiar nuestra visión sobre el agua, es menester contar con información muy precisa de su disponibilidad. Necesitamos saber dónde se encuentra, cómo se genera, cómo se recupera, para poder suministrar a la agricultura, la industria y los servicios domesticos ; así como para preservar los ecosistemas. Es necesario crear una clara conciencia del valor del agua. Necesitamos contemplar el agua no sólo como un recurso que requerimos para vivir, para beber, para limpiar, para la industria, para la generación de energía eléctrica, sino hay que ver al agua como un recurso que forma parte de una dinámica muy compleja en el planeta entero. Necesitamos como sociedad promover el ahorro del agua entre los usuarios, ya que es urgente la concientización de la población sobre la necesidad de cuidar el agua, ahorrarla, reportar y eliminar las fugas que existen en los domicilios, y denunciar el clandestinaje. Realidad de la oferta y la demanda. Para que la gente pueda tener suficiente abastecimiento de agua potable debe considerarse una combinación a menudo compleja de aspectos sociales, económicos y ambientales. En los últimos años, las familias, las industrias, los agricultores y los gobiernos han comenzado a reconocer que el agua es un bien Económico y no un recurso ilimitado “ gratuito”. Y al ser un bien económico, hay una gran variedad de calidad y el nivel de servicios de abastecimiento de agua y saneamiento que la gente desea y está dispuesta a pagar. Si todos los grupos de usuarios adoptan decisiones bien pensadas, generalmente mejora el abastecimiento de agua para toda la población, a precio económico. El problema del agua potable no tiene solución permanente, por lo que en este aspecto siempre se debe estar buscando nuevas fuentes de aprovisionamiento, realizando estudios hidrológicos ó geohidrológicos para tener a la mano forma de ampliar el sistema. El aumento de la población y el ascenso de su nivel cultural y social hacen insuficiente en poco tiempo las obras proyectadas, pues las fuentes actuales van haciéndose incapaces y es necesario utilizar las que están situadas a mayor distancias u otras cuyas aguas requieren tratamiento más elevado para hacerlas adecuadas para el consumo humano. Para desempeñar un papel activo en la solución a tales problemas, el Ingeniero Civil debe comprender claramente los fundamentos de Ingeniería implicados en los proyectos de abastecimiento de agua potable y los procesos constructivos aplicados en la ejecución de las obras de esta naturaleza, preparándose constantemente y luchar por Salvar el Agua, ya que Salvar el Agua es Salvar a la Humanidad. Hay que luchar contra la ignorancia y contra las autoridades que no están conscientes del grave problema que presenta la contaminación del agua y de la escasez de la misma.

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EL CICLO HIDROLÓGICO. Mediante la energía solar se evapora parte del agua contenida en los océanos, lagos, lagunas, ríos y cuerpos, incluyendo a la misma tierra, esparciéndose en la atmósfera como vapor , para precipitarse después en forma de lluvia por efecto de la gravedad terrestre; este proceso natural se llama Ciclo Hidrológico ( figura. 1.1). La importancia de conocer todas y cada una de las fases de este ciclo se debe a que el volumen de agua que existe, teóricamente es el mismo desde los primeros albores del planeta hasta nuestros días. Es por el ciclo hidrológico que se explica la constante renovación del agua, que es el medio para el desarrollo de la vida entera y el origen de las fuentes de que se sirve el hombre para su desenvolvimiento cotidiano. Las fases principales del ciclo hidrológico son :       

Evaporación Condensación de vapor Precipitación pluvial Infiltración Evapotranspiración Escurrimientos Superficiales Escurrimientos Subterráneos

Cuando el agua contenida en los océanos, por efecto del calor solar como fuente de energía se Evapora, se forman las nubes; los vientos ayudan al transporte de éstas hacia los continentes hasta hacerlas chocar contra masas de aire frío que provocan la Condensación y la Precitación Pluvial. El agua que cae por efecto de la gravedad, una parte se evapora antes de llegar a tocar la superficie de la tierra; otra se Infiltra a través de los poros del terreno pasando a constituir el agua subterránea. El resto de la lluvia escurre por la superficie libre de la tierra formando los arroyos y los ríos que llevan el agua hasta los lagos y lagunas o siguen su curso hasta la desembocadura al mar, en donde vuelve a evaporarse cerrándose el ciclo.

(Fig 1.1 Ciclo Hidrológico)

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1.2.- CALIDAD DEL AGUA. El estudio de la calidad del agua se funda en la investigación de las características físico-químicas de la fuente ya sea subterránea, superficial o de precipitación pluvial. Para verificar si el agua es o no apta para el consumo humano, debe satisfacer determinados requisitos de potabilidad, denominadas normas de calidad del agua, esto en virtud de que en la actualidad ya no es tan fácil disponer de una fuente de aprovechamiento de agua, apropiada para dotar a una población de dicho liquido potable, pues en los últimos años debido al crecimiento de las ciudades, de las industrias, etc. las cuales vierten sus aguas residuales sin tratamiento a las corrientes naturales, tales como ríos, lagos y lagunas las han llevado a contaminar en gran medida que ya no es posible su aprovechamiento. Recordemos que la contaminación es una Bomba de “tiempo retardado”. El hombre se preocupa solo por la cantidad del agua, y no por su calidad, pero pasado los años cuando se presente el problema de la contaminación, obliga al hombre a preocuparse también por la calidad y es esta la etapa actual que requiere una atención urgente para evitar “la crisis del agua”. Para conocer las características del agua es necesario hacer una serie de análisis y ensayes de laboratorio. Se dice que un agua es Potable Aquélla que es apta para el consumo humano y que cumpla con los requisitos físicos, químicos y microbiológicos establecidos en la norma. El agua y los alimentos son vehículos de transmisión de enfermedades cuya puerta de penetración es la boca y tubo digestivo. El agua puede contener agentes infecciosos de cólera, de la tifoidea, paratifoidea, disentería, amibiasis y teníasis. Por lo que, para conocer las características del agua se realizan una serie de análisis de laboratorio. En la actualidad ya no es tan fácil disponer de una fuente de aprovisionamiento de agua, apropiada para dotar a una población de dicho líquido potable, pues en los últimos años debido al gran crecimiento de las ciudades, de las industrias, etc. las cuales vierten sus aguas residuales a los cauces naturales sin ningún tratamiento, esto a llevado a que los mantos freáticos se vean fuertemente contaminados de tal forma que estas aguas ya no es aprovechable actualmente. El agua en México se consideró por mucho tiempo abundante y de bajo costo. Ahora es evidente que es un recurso finito, escaso en muchas zonas del país, y que su Contaminación limita aun más su disponibilidad.  Importancia sanitaria. Son aspectos sanitarios de abastecimiento de agua fundamentalmente.  Controlar y prevenir enfermedades  Implantar hábitos higiénicos a la población como por ejemplo, lavarse las manos y limpieza de utensilios.  Facilita la limpieza pública  Facilita la práctica deportiva  Importancia económica.   

Aumentar la vida media para disminuir la mortalidad Aumentar la vida productiva del individuo, disminuyendo el tiempo perdido por enfermedades. Facilitar la instalación de industrias

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Para verificar requisitos de indispensable microscópicos

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si el agua es o no apta para el consumo humano, debe satisfacer determinados potabilidad, denominadas normas de calidad del agua. Para conocer esto es realizar determinados análisis como son: físicos, químicos, bacteriológicos, y radiológicos.

1.2.1.- ANÁLISIS FÍSICOS, QUÍMICOS Y BACTERIOLÓGICOS. a)

ANÁLISIS FÍSICOS:

Estos análisis consisten en determinar la turbiedad, color, olor, sabor y temperatura. La turbiedad se refiere a la materia orgánica en suspensión: arcillas, barros, materia orgánica y otros organismos microscópicos, etc. Sanitariamente es inocua si es debida a arcilla o a otras sustancias minerales, pero es peligrosa si la turbiedad proviene de aguas calcáreas o residuos industriales. El color proviene generalmente de la descomposición de materia vegetal o de las sales de hierro. No debe exceder del grado 20 de la escala normal de cobalto, pero es preferible se mantenga por debajo de 10. El olor y el sabor son dos sensaciones que tienen una relación intima y van casi siempre unidos; sin embargo, a veces puede haber sabor en el agua sin que se aprecie olor alguno. No existe forma de medir el olor y el sabor, por lo tanto en los análisis solo se indica si este es aromático, rancio, etc. b)

ANÁLISIS QUÍMICO:

El análisis químico tiene dos objetivos: 1. Averiguar la composición mineral del agua y su posibilidad de empleo para la bebida, los usos domésticos o industriales. 2. Averiguar los indicios sobre la contaminación por el contenido de cuerpos incompatibles con su origen geológico. Características del agua potable. PH

EN PPM

Nitrógeno (N) amoniacal.

0.6 a 8

Nitrógeno (N) proteico.

0.50

Nitrógeno (N) de nitritos.

0.10

(con análisis bacteriológicos aceptables).

0.05

Nitrógeno (N) de nitratos

5.00

Oxigeno (O) consumido

3.00

En medio Ácido o Alcalino sólidos totales,. de preferencia hasta 500, pero tolerándose. Alcalinidad total, expresada en CaCO3

1000 400

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Dureza permanente o de no carbonatos expresada en CaCO3 en aguas naturales.

150

Dureza total, expresada en CaCO3

300

Cloruros, expresados en Cl.

250

sulfatos, expresado en SO4.

250

Magnesio, expresado en Mg.

125

Zinc, expresado en SNI.

Cobre, expresado en Cu.

Floruros, expresada en Fl.

1.5

Fierro, magnesio, expresado en Fr Mn.

0.30

Plomo, expresado en Po.

0.01

Arsénico, expresado en As.

0.05

Selenio, expresado en Se.

0.05

Cromo fenólico, expresado en Feno.

0.0001

Cloro libre, en aguas cloradas no menos de

0.20

Cloro libre en aguas sobrecloradas, no menos de .

0.20

Ni más de

1.00

ANÁLISIS MICROSCÓPICO.

Este análisis explica la presencia de olores y sabores inconvenientes, la presencia de aguas negras y la presencia de un exceso de desechos tóxicos. La mayor utilidad de los análisis microscópicos es encontrar las algas que producen el olor y el sabor. d)

ANÁLISIS BACTERIOLÓGICOS:

Las bacterias son seres microscópicos de vida unicelular. Existen en diferentes lugares, pero por lo general cada tipo en su ambiente natural y su presencia en otro medio es meramente accidental. El exámen se hace para determinar el número de bacterias que pueden desarrollarse bajo condiciones comunes, así como detectar la presencia de bacterias del grupo intestinal, que en caso afirmativo, constituye un índice de que la contaminación es de origen fecal. El agua potable esta libre de gérmenes patógenos de la contaminación fecal humana: Se considera que una agua esta libre de gérmenes patógenos, cuando la investigación bacteriológica da como resultado final: a)

Menos de 20 organismos del grupo Coli y Coliformes por litro de muestra, definiéndose como organismos de los grupos Coli y Coliforme todos los bacilos esporógenos, gran negativos que fomentan el caldo lactosado con formación de gas.

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Menos de 200 colonias bacterianas por c.c. de muestra en placa de agar incubada a 37 º C por 24 hrs.

Ausencia de colonias bacterianas licuantes de la gelatina, cromógenas o fétidas en la siembra de un centímetro cúbico de muestra en gelatina incubada a 20 º C por 48 hrs.

ANÁLISIS RADIOLÓGICO:

El avance de la ciencia y de la técnica ha impuesto el uso de elementos radioactivos que por lo mismo desechan las llamadas basuras radioactivas como consecuencia de actividades de investigaciones científicas en unos casos y como residuos de procedencia industriales en otros. Este análisis determina la radiactividad (neta, total suspendida, suelta); y la presencia de estrocito total radioactivo. Para la realización de estos análisis es necesario tomar muestras representativas de agua de la fuente de captación, se procede a tomar de 4 a 5 lts. de agua en garrafones de vidrio y/o de polietileno transparente, estos deberán estar perfectamente limpios a la muestra se le colocará una etiqueta en la que señale: la fecha en que se tomo, el nombre de la fuente, la orientación y el nombre de la localidad, esta deberá ser enviado al laboratorio para sus análisis.

1.2.2.- ESPECIFICACIÓN DEL AGUA POTABLE INTRODUCCION El abastecimiento de agua para uso y consumo humano con calidad adecuada es fundamental para prevenir y evitar la transmisión de enfermedades gastrointestinales y otras, para lo cual se requiere establecer límites permisibles en cuanto a sus características microbiológicas, físicas, organolépticas, químicas y radiactivas. Con el fin de asegurar y preservar la calidad del agua en los sistemas, hasta la entrega al consumidor, se debe someter a tratamientos de potabilización a efecto de hacerla apta para uso y consumo humano. Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994, "Salud Ambiental, agua para uso y consumo humano - limites permisibles de calidad y tratamientos a que debe someterse el agua para su Potabilizacion".

1. OBJETIVO Y CAMPO DE APLICACIÓN Esta Norma Oficial Mexicana establece los límites permisibles de calidad y los tratamientos de potabilización del agua para uso y consumo humano, que deben cumplir los sistemas de abastecimiento públicos y privados o cualquier persona física o moral que la distribuya, en todo el territorio nacional.

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2. DEFINICIONES Para efectos de esta norma se establecen las siguientes: 2.1 Agua Potable: aquélla apta para el consumo humano y que cumple con los requisitos físicos, químicos y microbiológicos establecidos en la norma. 2.2

Contaminación: alteración de las características físicas, químicas o biológicas del agua, resultante de la incorporación en la misma de productos o residuos que ocasionen o puedan ocasionar molestias directas o indirectas, enfermedades y aún la muerte de seres vivos.

2.3

Residuos: sobrantes líquidos, sólidos, gaseosos y distintas formas de energía, provenientes de la actividad humana en general.

2.4

Porción normal: en análisis microbiológico, la compuesta de 10 cm3 o de 100 cm3 de agua.

4. LIMITES PERMISIBLES DE CALIDAD DEL AGUA 4.1 Límites permisibles de características microbiológicas. El contenido de organismos resultante del examen de una muestra simple de agua, debe ajustarse a lo establecido en la Tabla 1. Bajo situaciones de emergencia, las autoridades competentes podrán establecer los agentes biológicos nocivos a la salud que se deban investigar TABLA 1 CARACTERISTICA

LIMITE PERMISIBLE

Organismos coliformes totales

Ausencia

E. coli

Ausencia

El agua abastecida por el sistema de distribución no debe contener E. coli en ninguna muestra de 100 ml. Los organismos coliformes totales no deben ser detectables en ninguna muestra de 100 ml; en sistemas de abastecimiento de localidades con una población mayor de 50 000 habi-tantes, estos organismos, deberá estar ausentes en el 95% de las muestras tomadas durante cualquier período de doce meses.

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Límites permisibles de características físicas y organolépticas.

Las características físicas y organolépticas deberán ajustarse a lo establecido en la Tabla 2.

TABLA 2 CARACTERISTICA

LIMITE PERMISIBLE

Color

20 unidades de color verdadero en la escala de platino-cobalto.

Olor y sabor

Agradable (se aceptarán aquellos que sean tolerables para la mayoría de los consumidores, siempre que no sean resultado de condiciones objetables desde el punto de vista biológico o químico).

Turbiedad

5 unidades de turbiedad nefelométricas (UTN) o su equivalente en otro método.

4.2. Límites permisibles de características químicas. El contenido de constituyentes químicos deberá ajustarse a lo establecido en la Tabla 3. Los límites se expresan en mg/l, excepto cuando se indique otra unidad TABLA 3 CARACTERISTICA

LIMITE PERMISIBLE

Aluminio

0.20

Arsénico

0.01

Bario

0.70

Cadmio

0.005

Cianuros (como CN-)

0.07

Cloro residual libre Cloruros (como Cl-)

0.2-1.00 250.00

Cobre

2.00

Cromo total

0.05

Dureza total ( CaCO3) Fenoles o compuestos fenólicos

500.00 0.001

Fierro

0.30

Fluoruros ( F-)

1.50

Manganeso

0.15

Mercurio

0.001

Nitratos ( N)

10.00

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Nitritos ( N)

0.05

Nitrógeno amoniacal ( N)

0.50

pH (potencial de hidrógeno) en unidades de pH

6.5-8.5

Plaguicidas en microgramos/l: Aldrín y dieldrín separados o combinados)

0.03

Clordano (total de isómeros)

0.20

DDT (total de isómeros)

1.00

Gamma-HCH (lindano)

2.00

Hexaclorobenceno

1.00

Heptacloro y epóxido de heptacloro

0.03

Metoxicloro

20.00

2,4-D

30.00

Plomo

0.01

Sodio

200.00

Sólidos disueltos totales

1000.00

sulfatos (como SO4) Substancias activas al azul del metileno (SAAM)

400.00 0.50

Trihalometanos totales

0.20

Zinc

5.00

Los límites permisibles de metales se refieren a su concentración total en el agua, la cual incluye los suspendidos y los disueltos. 4.3.

Límites permisibles de características radiactivas.

El contenido de constituyentes radiactivos deberá ajustarse a lo establecido en la Tabla 4. Los límites se expresan en Bq/l (Becquerel por litro). TABLA 4 CARACTERISTICAS

LIMITE PERMISIBLE

Radiactividad alfa global

0.1

Radiactividad beta global

1.00

5. TRATAMIENTOS PARA LA POTABILIZACION DEL AGUA La potabilización del agua proveniente de una fuente en particular, debe fundamentarse en estudios de calidad y pruebas de tratabilidad a nivel de laboratorio para asegurar su efectividad. Se deben aplicar los tratamientos específicos siguientes a los que resulten de las pruebas de tratabilidad, cuando los contaminantes biológicos, las características físicas y los constituyentes químicos del agua enlistados a continuación, excedan los límites permisibles establecidos en el apartado

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5.1 Contaminaciรณn biolรณgica. 5.1.1 Bacterias, helmintos, protozoarios y virus.- Desinfecciรณn con cloro, compuestos de cloro, yodo, ozono, luz ultravioleta o plata coloidal.

5.2

Caracterรญsticas fรญsicas y organolรฉpticas. 5.2.1 Color, olor, sabor y turbiedad.Oxidaciรณn-coagulaciรณn-floculaciรณnsedimentaciรณn-filtraciรณn; cualquiera o la combinaciรณn de ellos; adsorciรณn en carbรณn activado.

5.3 Constituyentes quรญmicos. 5.3.1 Arsรฉnico.- Coagulaciรณn-floculaciรณn-sedimentaciรณn-filtraciรณn; cualquiera o la combinaciรณn de ellos, intercambio iรณnico u รณsmosis inversa.

5.3.2 Aluminio, bario, cadmio, cianuros, cobre, cromo total y plomo.- Coagulaciรณn-floculaciรณn-sedimentaciรณn-filtraciรณn; cualquiera o la combinaciรณn de ellos; inter-cambio iรณnico u รณsmosis inversa. 5.3.3

Cloruros.- Intercambio iรณnico, รณsmosis inversa o destilaciรณn.

5.3.4

Dureza.- Ablandamiento quรญmico o intercambio iรณnico.

5.3.5 Fenoles o compuestos fenรณlicos.- Oxidaciรณn-coagulaciรณn-floculaciรณnsedimenta-ciรณn-filtraciรณn; cualquiera o la combinaciรณn de ellos; adsorciรณn en carbรณn activado u oxidaciรณn con ozono. 5.3.6

Fierro y/o manganeso.- Oxidaciรณn-filtraciรณn, intercambio iรณnico u รณsmosis inversa.

5.3.7

Floruros.- Intercambio iรณnico u รณsmosis inversa.

5.3.8

Materia orgรกnica.- Oxidaciรณn-filtraciรณn o adsorciรณn en carbรณn activado.

5.3.9

Mercurio.- Coagulaciรณn-floculaciรณn-sedimentaciรณn-filtraciรณn; adsorciรณn en

carbรณn activado granular u รณsmosis inversa cuando la fuente de abastecimiento contenga hasta 10 microgramos/l. Adsorciรณn en carbรณn activado en polvo cuando la fuente de abastecimiento contenga mรกs de 10 microgramos/l.

5.3.10 Nitratos y nitritos.- Intercambio iรณnico o coagulaciรณn-floculaciรณn-sedimentaciรณnfiltraciรณn; cualquiera o la combinaciรณn de ellos. 5.3.11 Nitrรณgeno amoniacal.- Coagulaciรณn-floculaciรณn-sedimentaciรณn-filtraciรณn, desgasificaciรณn o desorciรณn en columna. 5.3.12 pH (potencial de hidrรณgeno).- Neutralizaciรณn. 5.3.13 Plaguicidas.- Coagulaciรณn-floculaciรณn-sedimentaciรณn-filtraciรณn; cualquiera o la combinaciรณn de ellos; adsorciรณn en carbรณn activado granular.

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5.3.14 Sodio.- Intercambio iónico. 5.3.15 Sólidos disueltos totales.- Coagulación-floculación-sedimentación-filtración y/o intercambio iónico. 5.3.16 Sulfatos.- Intercambio iónico u ósmosis inversa. 5.3.17 Substancias activas al azul de metileno.- Adsorción en carbón activado. 5.3.18 Trihalometanos.- Oxidación con aireación u ozono y adsorción en carbón activado granular. 5.3.19 Zinc.- Destilación o intercambio iónico. 1.3 .- INFORMACIÓN BÁSICA PARA EL PROYECTO Una población se abastece de agua con varios propósitos: a)

Para beber y cocinar.

Para lavado de ropa y utensilios.

Para los sistemas de calefacción y acondicionamiento de aire.

Para riego de prados y jardines.

Para ornatos de fuentes o cascadas.

Para fines industriales y comerciales.

Para eliminar los desechos industriales y domésticos ( aguas negras ).

Para la protección de la vida y la propiedad, usándola contra el fuego

Un sistema de Abastecimiento de agua es un conjunto de diversas obras que tienen por objeto suministrar agua a una población en cantidad suficiente, calidad adecuada, presión necesaria y en forma continua. Un sistema de abastecimiento de agua potable consta fundamentalmente de la siguientes partes (figuras 1.3.a, 1.3.b , 1.3.c ). 1

FUENTE DE ABASTECIMIENTO

OBRA DE CAPTACIÓN

LÍNEA DE CONDUCCIÓN.

PLANTA POTABILIZADORA

REGULARIZACIÓN.

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LÍNEA DE ALIMENTACIÓN Y RED DE DISTRIBUCIÓN.

“ OBRAS DE QUE CONSTA UN SISTEMA DE AGUA POTABLE” I.-

FUENTES DE ABASTECIMIENTO Y CAPTACIÓN

II.- CONDUCCIÓN III.- POTABILIZACIÓN IV.- REGULARIZACIÓN V.- DISTRIBUCIÓN Ademas de las obras anteriores pueden existir una planta de bombeo. No en todos los casos se sigue el mismo orden, ni con todas las obras a continuación se presenta un esquema tipico.

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(Fig 1.3 a).- Partes de que consta un sistema de abastecimiento de agua.

(Fig 1.3 b)

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(Figura1.3.c).- Esquema general que nos indica el proceso de captación, condución,potabilización , regulaarización, distribución y entrega del agua hasta el domicilio del usuario y el agua usada se va al drenaje sanitario. Un buen servicio de agua potable debe suministrar agua de buena calidad, en cantidad suficiente a la presión necesaria, a toda hora y en todos los puntos de la población.

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Para estos fines se llevan a cabo actividades que norman el criterio del ingeniero con relación al medio en que va a operar. Estas actividades o estudios se relacionan a continuación I.3.1.- ESTUDIOS PRELIMINARES. Se puede definir como el conjunto de conocimientos técnicos y estadísticos que es necesario obtener de una localidad para poder efectuar un buen proyecto ejecutivo de agua potable. Este deberá contener todos los datos básicos de la localidad por abastecer de agua. Para llevar a cabo la ejecución de las obras es necesario planear y programar el financiamiento de ellas en relación con el proyecto a realizar. 1.3.2.- LOS ESTUDIOS PRELIMINARES SE SUBDIVIDEN EN : a).- ESTUDIOS DE CARÁCTER SOCIOECONÓMICO b).- ESTUDIOS DE CARÁCTER TÉCNICO  Estudios Topográficos c).- ESTUDIOS AUXILIARES COMPLEMENTARIOS  Estudios Geohidrológicos  Estudios Geológicos  Estudios Hidrológicos  Estudios Geotécnicos a).

ESTUDIOS DE CARÁCTER SOCIOECONÓMICO

Estos estudios son de vital importancia para desarrollar el proyecto, por medio de estos podemos conocer la capacidad de pago de la población, la proyección de la Población, la importancia y la necesidad de los sectores sociales de la Localidad. La información socioeconómica de la localidad en estudio se puede recabar en el municipio de la localidad o bien en el Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informatica (INEGI). Estos estudios son de gran relevancia para hacer comparativos de varios años y sacar porcentajes de variación Se subdividen en investigación Previa , Investigación Directa, e investigación de campo. Los estudios Socioeconómicos se deberán realizar en cada localidad para conocer el nivel social y económico de la misma que es fundamental en la elaboración del proyecto.  INVESTIGACIÓN PREVIA: Para iniciar la investigación preliminar es necesario que haya una solicitud de parte de la comunidad, en la cual la autoridad municipal plantea la introducción y/o rehabilitación de su sistema de agua potable; esta investigación previa se realiza en gabinete analizando todas las

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solicitudes presentadas y de estas, seleccionar las que por su crecimiento de población lo justifiquen y puedan ser incluidas en el programa de gobierno federal, estatal o municipal.

 INVESTIGACION DIRECTA: Estos estudios se realizaran visitando directamente a la población que se halla en proceso de estudio; El ingeniero de proyectos se trasladara a la población, llevando consigo oficio de comisión para que se haga presente con la autoridad municipal y sepa a que va el ingeniero y que apoyos le pueda brindar. Debiendo recopilar toda la información de carácter socioeconómica que se menciona a continuación:  Los aspectos que debemos analizar en un estudios socieconomico de una población son: 1.

Datos históricos de la localidad.

Localización geográfica.

Categoría política.

Orografía,

Hidrología.

Climatología.

Vías de comunicación y transporte.

Servicios públicos.

Censo Actual de Habitantes

10.

Aspectos económicos

11.

Reconocimiento de fuentes de abastecimiento.

12.

Estudios de la calidad del agua.

13.

Estudios topográficos.

14.

Estudios geohidrológicos.

15.

Estudios geológicos.

16.

Estudios Hidrológicos

17. Estudios Geotécnicos 

INVESTIGACIÓN DE CAMPO

a).- La investigación fuera de la población se refiere a la localización de las fuentes de aprovisionamiento; para lo cual se necesita la calidad, la cantidad y la disponibilidad física del agua; que puede ser de manantial, de rio, de lago, de alguna presa de almacenamiento, de galería filtrante, o subterránea extraída por medio de pozo profundo. b).- Localizada la fuente de abastecimiento y definida la posibilidad de utilizarla, serán determinados los caudales y la calidad; procediendose a continuación a resolver la forma de conducirla, ya sea por gravedad o por bombeo.

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c).- La investigación de campo, requiere forzosamente de sus correspondientes levantamientos topográficos. Explicación del contenido de cada dato general que el ingeniero debe recabar en campo. 

DATOS HISTÓRICOS.

Este punto se refiere a los sucesos históricos que han influido en la evolución de una población objeto del estudio (fecha de fundación, significado del nombre de la población, etc.). 

LOCALIZACIÓN GEOGRÁFICA:

Se refiere a los siguientes puntos: a)

Limites políticos . b) 

Coordenadas geográficas, es decir latitud, longitud y altitud con respecto al nivel del mar. CATEGORÍA POLÍTICA:

En este punto se especifica la categoría política de la población, Agencia Municipal, Ranchería, Colonia, Barrio, Delegación, Municipio, Distrito y Estado al que pertenece. 

OROGRAFÍA:

En este punto se describe la situación topográfica de la población en estudio. (Orografía Plana, Montañas, Valles, etc.) 

HIDROGRAFÍA:

Aquí se describe muy claramente si en la población o en la proximidades de ésta pasa algún río de importancia o únicamente escurrimientos temporales. 

CLIMATOLÓGICOS

Se refiere a cada uno de los fenómenos atmosféricos principalmente: a)

Temperatura.

Precipitación pluvial

Clima. 

VÍAS DE COMUNICACIÓN Y TRANSPORTE:

Lo primero es una explicación de como se puede llegar a la población en estudio, ya sea por vía terrestre, aérea o fluvial, y el segundo punto se refiere a los medios de auto transporte para trasladarse a la población en estudio. Tomando en cuenta el costo del pasaje y el tipo de transporte (Autobús, Taxi, Camiones de redila ) etc.

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

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SERVICIOS PÚBLICOS:

En este punto se describen todos los servicios con que cuenta la población. a)

Agua potable:



Fuente de abastecimiento,



Localización, distancia y niveles,



Gasto de explotación,



Calidad del agua,



Plano detallado de la Obra de Captación

 Conducción (Revisión de diámetro, clase, y estado de conservación de la tubería y accesorios). 

Regularización (plano de localización y detalle del Tanque)

 Distribución ( Plano de la red indicando nombre de las calles, longitudes, diámetros, clase de tubería, válvulas y su estado de conservación).  b)

Tomas Domiciliarias (cantidad, características, tarifas y estado de conservación). Alcantarillado : Sistema y lugar de vertido de los desechos sólidos.

c) Energía eléctrica y puntos de toma : Esta actividad se desarrolla con el fín de conocer el voltaje, frecuencia , ciclo, etc. Para determinar el tipo de instalación eléctrica posterior y necesaria en el sistema. Pavimentación de banquetas, Mercados, rastros, campos deportivos, telégrafos, teléfonos, bancos, hoteles, cines, correos, teatros, moteles, lavanderías, restaurantes, instituciones educativas, servicios asistenciales, etc. CENSO ACTUAL DE HABITANTES



Este punto es de vital importancia para el proyectista por que se toman en cuenta los siguientes datos: a)

Datos censales de la localidad el de la población flotante en el momento de la visita.

Se indicarán las zonas: residenciales, comerciales, industriales y populares, en el plano de predios habitados por frente de manzana y número de habitante por predio. b) Especificar cada una de las actividades de la población económicamente activa como son: AGRICULTURA, GANADERÍA, INDUSTRIA Y COMERCIO. c)

Materiales de construcción y lugar de abastecimiento.

Salarios mínimos vigente en la zona, mano de obra disponible y clasificada.

Tipos de construcciones habitacionales existentes. 

RECONOCIMIENTOS DE FUENTES PROBABLES DE ABASTECIMIENTO:

Esta investigación se refiere a la localización de las fuentes probables de abastecimiento por utilizar para lo cual el ingeniero deberá hacer una descripción de ellas respecto a lo siguiente: a). Superficiales: Ríos, lagos, arroyos, etc. Nombre, localización, régimen, datos de aforos, condiciones sanitarias, sus usos y concesiones que tengan.

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b). Subterráneas: verticales etc.

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Manantiales, pozo noria, pozos profundos, galerías filtrantes horizontales,

b).- ESTUDIOS DE CARÁCTER TÉCNICO b.1. TOPOGRÁFICOS: Es recomendable iniciar el levantamiento en el lugar de la captación y llegar al sitio probable del tanque de regularización. El método recomendable para el levantamiento topográfico de línea de conducción es la de conservación de AZIMUTES; serán levantamiento con estadía y la orientación será magnética. En líneas hasta de 10 Km; para mayores distancias debe hacerse orientación astronómica al principio y al final de las poligonales. Para efectuar EL LEVANTAMIENTO de redes de distribución aerofotogramétricos del tipo ortofoto.

se recomienda usar

planos

Cuando no se tengan estudios del tipo ortofoto, se procederá a efectuar un levantamiento topográfico de una poligonal envolvente que cierre la parte más poblada de la localidad, si existen calles bien definidas se hará el relleno de la poligonal iniciando en un crucero de la poligonal y cerrando el otro crucero de dicha poligonal y por medio de radiaciones se levantarán los detalles topográficos importantes, tales como localización de casas dispersas, cambios de pendientes, esquinas de calles, etc. deberá quedar debidamente ligada está poligonal con la línea de conducción desde el punto de vista de niveles, así como angularmente, el método de levantamiento será el de conservación de azimut. Todos los levantamientos se harán con Estadía, usando las tolerancias usuales para estos casos. Se dejarán bancos de nivel al inicio y al final de las poligonales abiertas. La elevación se podrá dar con un altímetro, debidamente comparado con una elevación conocida. Se recomienda que el ingeniero que vaya a establecer controles topográficos de apoyo para los levantamientos aerofotogramétricos, lleve a cabo los levantamientos topográficos de la línea de conducción, efectúe aforo cuando sea posible, haga censo predial y de pavimentos, efectúe sondeos para obtener la clasificación de materiales para fines de excavaciones y obtenga todos los datos relativos al estudio preliminar. CRITERIOS DE LOCALIZACIÓN DE LÍNEAS DE CONDUCCIÓN. 1.

TRAZO DE LA LÍNEA DE CONDUCCIÓN POR GRAVEDAD.

Cuando haya un desnivel suficiente entre la captación y la zona del tanque, con el cual la conducción puede trabajar por gravedad, el trazo de la línea se hará Taquimétricamente. Se iniciará el trabajo a partir de la estación "0" situada junto a la fuente de abastecimiento, para terminar en la zona del tanque. Las lecturas de distancia y ángulos verticales, entre vértices serán recíprocas a fin de evitar posibles equivocaciones, la distancia máxima , entre vértices consecutivos será de trescientos metros. Los puntos de radiación se tomarán de tal manera que éstos determinen una equivalente configuración a la del terreno, a distancias tales que se cubra una faja total de 150 metros; la cual se empleará a criterios del trazador en los lugares en que sea necesario. En donde se requiera la configuración del terreno, se hará empleando secciones transversales.

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Se detallarán los puntos más importantes como son : linderos, arroyos, puentes, alcantarillas, cruce con caminos vías de ferrocarriles. 2.

TRAZO DE LA LÍNEA DE CONDUCCIÓN POR BOMBEO.

El trazo de la línea de conducción por bombeo se hará taquimétricamente. C).- ESTUDIOS AUXILIARES COMPLEMENTARIOS C.1.- ESTUDIOS GEOLÓGICOS. Es un estudio que se hace para determinar los tipos de suelo que se va a excavar, si es tierra (material tipo A ), roca suelta (tipo B) y roca sana (suelo tipo C), mismos que nos servirán para efecto de elaboración del presupuesto del proyecto o de la obra. Ensaye de suelos.- Identificación de suelos en el campo, los suelos se clasifican en dos grupos :gruesos ( grava y arena ) y finos ( materia orgánica, limo y arcilla ). Contenido natural de humedad, peso volumétrico natural, granulometría, límites de consistencia, peso específico relativo y resistencia al estudio cortante. C.2.-

ESTUDIOS GEOHIDROLÓGICOS.

Se refiere a la localización de fuentes de abastecimiento, superficiales y subterráneas como indiquen los estudios hidrológicos y geológicos, según su procedencia, se puede prever la cantidad y la calidad, forma de prever la contaminación, época en que se dispone de mayor o menor cantidad de agua, forma y manera de disponer de esas fuentes y todo lo que la hidrología y la geología puedan darnos respecto a la disponibilidad de agua para la población.  Las aguas se clasifican en :

FREÁTICAS, ARTESIANAS Y

SUBÁLVEAS.

 Las aguas freáticas carecen de presión hidrostática.  Las aguas artesianas tienen presión hidrostática.  Las aguas subálveas escurren por debajo del cauce de los ríos.  C.3.- ESTUDIOS HIDROLOGICOS Este tipo de estudios se realiza recopilando información en la Comisión Nacional de Agua para cuantificar las fuentes posibles de aprovechamiento para el abastecimiento de Agua Potable de la localidad, de acuerdo a las precipitaciones pluviales de la Región. El estudio hidrologico nos permitira conocer la precipitación anual de cada región y de esta manera conocer la capacidad de producción de la fuente de Abastecimiento. C.4.- ESTUDIOS GEOTECNICOS Estos estudios complementarios de carácter geotecnico son necesarios realizarlos para conocer la capacidad de carga del terreno atravez de los estudios de mecanica de suelo. Conociendo la capacidad de carga del suelo nos permitira diseñar el tipo de cimentación para el tanque de regularización ya sea superficial o elevado

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1.3.8.- ESTUDIO DE FACTIBILIDAD ECONÓMICA Y FINANCIERA. Tiene como propósito el de justificar económicamente el proyecto, proporcionar una guía para su implementación. este estudio comprenderá lo siguiente: a)

Características socioeconómicas de la localidad.

b) Población por servir y cantidad de agua requerida para satisfacer las necesidades actuales y de proyecto. c)

Descripción del proyecto y del presupuesto.

Beneficio del proyecto.

Aspectos financieros.

1.4.- POBLACIÓN DE PROYECTO Para efectuar la elaboración de un proyecto de abastecimiento de agua potable es necesario determinar la población futura de la localidad, así como de la clasificación de su nivel socioeconómico dividido en tres tipos : Popular, Media y Residencial. Igualmente se debe distinguir si son zonas comerciales o industriales, sobre todo, al final del periodo económico de la obra. La población actual se determina en base a los datos proporcionados por el Instituto Nacional de Estadísticas, Geografía e Informática ( INEGI), tomando en cuenta los últimos tres censos disponibles para el proyecto hasta el año de realización de los estudios y proyectos. En el cálculo de la población de proyecto o futura intervienen diversos factores como son:  CRECIMIENTO HISTÓRICO  VARIACIÓN DE LAS TASAS DE CRECIMIENTO  CARACTERÍSTICAS MIGRATORIAS  PERSPECTIVAS DE DESARRROLLO ECONÓMICO La forma más conveniente para determinar la población de proyecto o futura de una localidad se basa en su pasado desarrollo, tomado de los datos estadísticos. Los datos de los censos de población pueden adaptarse a un modelo matemático, como son : 1. ARITMÉTICO 2. GEOMÉTRICO 3. EXTENSIÓN GRAFICA 4. FORMULA DE MALTHUS

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1. MÉTODO ARITMÉTICO: Consiste en averiguar los aumentos absolutos que ha tenido la población y determinar el crecimiento anual promedio para un periodo fijo y aplicarlos en años futuros. Primeramente se determinara el crecimiento anual promedio por medio de la expresión: I = Pa –Pi/n Donde: I=

Crecimiento anual promedio.

Pa = Población actual ( la del ultimo censo ). Pi =

Población del primer censo.

Años transcurrido entre el primer censo y el último.

Enseguida se procede a calcular la población futura por medio de la expresión: Pf = Pa + I N Donde: Pf = Población futura. Pa = Población actual. N = Periodo económico que fija el proyectista en base a las especificaciones técnicas de la Comisión Nacional del Agua. I = Crecimiento anual promedio. 2. MÉTODO GEOMÉTRICO POR PORCENTAJE. Consiste en determinar el porcentaje anual de aumento por medio de los porcentajes de aumento en los años anteriores y aplicarlo en el futuro. Dicho en otras palabras, se calculan los cinco decenales de incremento y se calculara el porcentaje anual promedio . % anual promedio = %Pr 

%. n

Donde: Σ % = suma de porcientos decenales. n = numero de años entre el primer censo y el ultimo. La formula para determinar la población de proyecto es: Pf = Pa + Pa ( % Pr ) N / 100Donde: Pf = población futura. Pa = población actual del ultimo censo.

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N = Periodo económico que fija el proyectista en base a las especificaciones técnicas de la Comisión Nacional del Agua. 3. MÉTODO GEOMÉTRICO POR INCREMENTO MEDIO TOTAL : Este método consiste en suponer que la población tendrá un incremento análogo al que sigue un capital primitivo sujeto al interés compuesto, en el que el rédito es el factor de crecimiento. La formula para determinar la población futura o de proyecto es: Pf = Pa (1+r)

Aplicando la condición de los logaritmos en esta ecuación, se tiene que :

LOG (1+R) =

log Pf  log Pa n

despejando al Logaritmo de la población futura tenemos que la expresión queda:

log pf = log pa + n log (1+r).

Donde: Pf = Población futura. Pa = Población del último censo. n = Periodo de diseño (económico). r = Taza de crecimiento o factor de crecimiento. Para la obtención de los valores de log (1+r) se obtiene restando los logaritmos de las poblaciones sucesivas entre “n” año de cada censo, obteniéndose el promedio del log(1 +r), este valor será el que se aplique a futuro. Para mayor compresión se deberá formular una tabla como la que se indica. Año

No. de Hab.

Log Pa

Log Pf

Log Pf – Log Pa

Log (1+r)/n

La población futura será la correspondiente al antilogaritmo de ese resultado. 4. MÉTODO DE LA FORMULA DE MALTHUS. La formula correspondiente es : Pf = Pa (1 + Δ )x Donde:

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Pf = Población futura. Pa = Población actual (último censo). Δ = Es el incremento medio anual. x=

numero de periodos decenales a partir del periodo económico que se fije.

El incremento medio (Δ ) se obtendrá dividiendo el incremento decenal entre el número de veces que se restaron. ( Δ

promedio

= Σ Δ / N°. de veces)

5. MÉTODO DE EXTENSIÓN GRAFICA. La metodología que se sigue al aplicar este método es la siguiente: Con los datos censales se forma una gráfica en donde se sitúan los valores de los censos en un sistema de ejes rectangulares en el que las abscisas( x), representan los años de los censos y las ordenadas ( y) el números de habitantes. A continuación se traza una curva media entre los puntos así determinados, prolongándose a ojo esta curva, hasta el año cuyo número de habitantes se desea conocer. 6. MÉTODO DE ÁREAS Y DENSIDADES. (exclusivo para fraccionamientos) Este método consiste en tomar una zona poblada representativa de acuerdo con el uso y tenencia del terreno para calcular la población asentada con su superficie respectiva, obteniéndose una densidad bruta al dividir la población actual entre la superficie bruta y aplicar este coeficiente posteriormente a superficies futuras por servir. Es muy importante para la aplicación de este método disponer de un levantamiento catastral y predial complementado con un plano regulador que indique limitación de las zonas de desarrollo. Cualquier método que se aplique, solamente dará resultados orientadores, pues es fácil entender que resulta casi imposible precedir el futuro, sobre todo tratándose de crecimiento de la población. Para encontrar la Población Futura o de Proyecto, por los Métodos aquí señalados , procederemos a eliminar la Población que resulte menor y la mayor, procediéndose a tomar un promedio y de esta forma se obtendrá la población futura para nuestro proyecto. Las normas de proyectos para obras de aprovisionamiento de agua en localidades urbanas y rurales de la Republica Mexicana establece que en los casos que no se cuente con la información censal, para calcular la población de proyecto se recomienda DUPLICAR la población que se tenga al tiempo de realizar el estudio, esto es muy común que suceda en las comunidades rurales y rancherías. Para conocer la población futura o de proyecto para un fraccionamiento se recomienda aplicar el método de áreas y densidades exclusivamente. 1.4.1 PERIODO DISEÑO. Se entiende por Periodo Diseño el tiempo en el cual se estima que las obras por construir serán eficientes. El período de diseño 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 se requieran ser eliminadas por insuficientes.

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Además de la vida útil y del Período de Diseño, en los aspectos de financiamiento de las obras se habla a menudo del Período Económico de Diseño el que se ha definido tradicionalmente como el tiempo durante el cual una obra de ingeniería funciona “ Económicamente”. Sin embargo, el determinar este aspecto en un país como México resulta subjetivo puesto que no existen los recursos financieros para construir cada vez que concluyen los períodos económicos de las obras en cuestión que deberían ser sustituídas de acuerdo a este criterio. Por lo anterior, en este texto se denominará “ Período Económico de Diseño” al tiempo en el cual se amortiza, es decir, se paga el crédito con el cual se ejecute el proyecto.Considerando lo anterior, el dimensionamiento de las obras se realizará a períodos de corto plazo, definiendo siempre aquellas que, por sus condiciones especificas, pudieran requerir un período de diseño mayor por economía de escala. Las especificaciones técnicas para la elaboración de estudios y proyectos de agua potable de la Comisión Nacional del Agua a fijado los siguientes periodos de diseño. 1. Para localidades de 2500 a 15000 habitantes de proyecto, el periodo económico se tomará de 6 a 10 años. 2. Para localidades medianas de 15000 a 40000 habitantes de proyecto, el periodo economico se tómara de 10 a 15 años. 3.

Para localidades urbanas grandes el periodo económico se tomara de 15 a 25 años.

1.5.- DEMANDA. CONSUMO.- El consumo de liquido de cada población esta determinada por distintos factores, como son el Clima , la hidrología, la clasificación del usuario, las costumbres locales, la actividad económica, etc. Por ejemplo: El Consumo se clasifica según el tipo de usuario en : Dómestico, Comercial, Industrial o de servicios públicos. El tipo dómestico se divide a su vez en Popular, Medio y Residencial, dependiendo del nivel económico del usuario. El Industrial se divide en Turístico e industrial, cuando las demandas parciales sean significativas con respecto a la total. Los climas extremosos incrementan el consumo, en el cálido para satisfacer las necesidades humanas y en el frío aunquedisminuye el consumo humano se incrementa el consumo por las fugas. La disponibilidad del agua también repercute en el consumo, a mayor dificultad de obtención menor cantidad distribuida. Las Localidades que cuentan con red de Alcantarillado su consumo se incrementa. 1.6.- DOTACIÓN.Se entiende por dotación la cantidad de agua que se asigna para cada habitante y que incluye el consumo de todos los servicios que realiza en un día medio anual, tomando en cuenta las pérdidas. Se expresa en litros ./ habitante-día. Esta dotación es una consecuencia del estudio de las necesidades de agua de una población, quien la demanda por los usos siguientes : para saciar la sed, para el lavado de ropa, para el aseo personal, la cocina, para el aseo de la habitación, para el riego de calles, para los baños, para usos industriales y comerciales , así como para el uso público. La dotación no es una cantidad fija, sino que se ve afectada por un sin numero de factores que la hacen casi característica de una sola comunidad; sin embargo, se necesita conocer de ante mano estos factores para calcular las diferentes partes de un proyecto.

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Cuadro 5.1.a Clasiificación de climas por su temperatura.

TEMPERATURA MEDIA ANUAL ( C )

Mayor Que

TIPO DE CLIMA

CÁLIDO

DE 18 A

SEMICÁLIDO

DE 12 A

17.9

TEMPLADO

DE 5

11.9

SEMIFRIO

MENOR QUE 5

FRIO

La dotación esta integrada por los siguientes consumos : a) CONSUMO DOMESTICO b) PUBLICO c) INDUSTRIAL d)

COMERCIAL

FUGAS y DESPERDICIOS. a). CONSUMO DOMESTICO:

El consumo doméstico varia según los hábitos higiénicos de la población, nivel de vida, grado de desarrollo, abundancia y calidad de agua disponible, condiciones climáticas, usos y costumbres, etc. Es difícil establecer una cifra como puede apreciarse; sin embargo, en nuestro país se estima que el consumo de agua para uso domestico anda entre 75 y 100 lts/hab.dia, la cantidad básica para el consumo domestico, que incluye necesidades fisiológicas, usos culinarios, lavado de ropa y utensilios, sistemas de calefacción y acondicionamiento de aire, riego de plantas y jardines privados, aseo de la vivienda, etc. b).CONSUMO PUBLICO: Este consumo se refiere al de los edificios e instalaciones públicas tales como: escuelas, mercados, hospitales, rastros, cuarteles, riego de calles, prados, jardines, servicio contra incendios, lavado de redes de alcantarillado. Este consumo es variable pero en nuestro país puede estimarse entre el 20 y 30 % del consumo domestico. El consumo público normalmente es excesivo debido a descuidos, pues el desperdicio en tales usos públicos se debe a daños en tuberías, llaves o accesorios cuya reparación inconscientemente se retarda. c). CONSUMO INDUSTRIAL: Depende del grado de industrialización y del tipo de industrias, grandes o pequeñas. las zonas industriales en muchos casos conducen a un desarrollo urbanístico que trae como consecuencia un aumento en el consumo del agua. En el consumo industrial del agua, influye la cantidad disponible,

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precio y calidad. En general las grandes industrias se abastecen en forma particular de sus propios sistemas sin gravitar sobre el sistema general de la población. d). CONSUMO COMERCIAL: Depende del tipo y cantidad de comercio tanto en la localidad como en la región. e).FUGAS Y DESPERDICIOS: Aunque las fugas y desperdicios no constituyen un consumo, es un factor que debe ser considerado. En la vivienda influye en el consumo doméstico, pues es corriente encontrar filtraciones o fugas permanentes debido a desperfectos en las instalaciones domiciliarias. Estas pérdidas aunadas al mal uso de los consumos públicos y al irracional uso doméstico, conducen a agravar el consumo general de agua. Estas pérdidas giran al rededor del 35% al 40 % de la suma de los consumos antes citados. Lo cual representa un grave problema para todos los órganos operadores de Administración del Agua Potable en el País. LAS NORMAS DE PROYECTO PARA ABASTECIMIENTO DE AGUA EN LOCALIDADES URBANAS DE LA REPUBLICA MEXICANA ESTABLECE QUE: En nuestro país no es común ni fácil hacer estos estudios de la dotación, pero existe inquietud por realizarlos, pues la demanda es cada vez mayor de los pueblos por gozar del servicio de agua (potable); esto obliga a los técnicos a estudiar las necesidades de agua en cada localidad. Por ahora la dotación la fijaremos en base a las normas de proyecto para obras de abastecimiento de agua potable en localidades urbanas según la Comisión Nacional del Agua la cual esta en función del clima y del número de habitantes de la población de proyecto, por lo tanto el Ingeniero proyectista para fijar su dotación deberá hacer uso de lo que establece la Gerencia de Normas Técnicas de Comisióm Nacional de Agua. 5.2. Dotación de agua potable por clima y número de habitantes, fijado por la Subdirección General de Infraestructura Hidráulica Urbana e Industrial ( Gerencia De Normas Técnicas ) de la C.N.A.(Tabla 1.3.3)

Tabla 1.3.3.- Dotación de agua potable por clima y número de habitantes que establece la Gerencia de Normas Técnicas de la Comision Nacional del Agua.

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POBLACIÓN DE PROYECTO

TIPO DE CLIMA

( lts. / hab.- día) CÁLIDO

TEMPLADO

FRIÓ

2500

15000

150

125

100

15000

30000

200

150

125

30000

70000

250

200

175

70000

150000

300

250

200

150000

o MAS

300

250

Las dotaciones anteriores deben ajustarse a las necesidades de la localidad y a sus posibilidades físicas. económicas, sociales y políticas, de acuerdo con el estudio específico que se realice en cada localidad. Para localidades rurales ( menores de 2500 habitantes ), las especificaciones recomiendan que la dotación se establezca tomando en cuenta el uso del agua y dice : Dado que el consumo de agua se destinará en la gran mayoría de los casos únicamente para satisfacer necesidades de carácter doméstico, se recomienda adoptar los siguientes valores para la dotación , siempre que el servicio se realice a base de Toma Domiciliaria . Clima frío y templado

75 lts/hab.dia.

Clima cálido

100 lts/hab.dia.

En caso de servicios por hidrante público o cualquier otro medio , los valores que se deben adoptar quedarán en la siguiente proporción : Clima frío o templado

25 lts/hab.dia.

Clima cálido

35 Lts/hab.dia.

Los valores anteriores solo se podrán incrementar hasta en un 50% cuando se proporcione adicionalmente agua para el consumo de animales domésticos tales como : caballos, burros, mulas, bueyes, vacas, cerdos, ovejas, chivos, gallinas, guajolotes, etc. cuyos valores máximos son: A).

DISTRIBUCIÓN A BASE DE TOMA DOMICILIARIA.

Clima frío o templado

100 lts/hab.dia.

Clima cálido

150 lts/hab.dia.

B).

DISTRIBUCIÓN A BASE DE HIDRATE DE TOMA PUBLICA U OTROS.

Clima frío y templado

36 lts/hab.dia.

Clima cálido

50 lts/hab.dia.

1.5.1.- FACTORES QUE AFECTAN A LA DOTACIÓN.

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De acuerdo a las instalaciones en servicio, se tiene cada vez más información acerca del valor real de la dotación; sin embargo, debe adjudicarse al proyecto la que se estima más adecuada en función de sus características. a)

CANTIDAD DE AGUA DISPONIBLE

La facilidad o dificultad para disponer de agua de las fuentes de abastecimiento, marcan en ocasiones la cantidad de agua que puede distribuirse. b)

MAGNITUD DE LA POBLACIÓ:

Conforme crece la población, aumenta el consumo de agua, porque se incrementa principalmente las necesidades de agua en usos públicos e industriales. El cambio de la dotación base puede hacerse de la siguiente manera: HABITANTES

c).

% DE LA DOTACIÓN BASE

MENOS DE 5,000

5,000 A 20,000

20,000 A 50,000

100

50,000 A 100,000

110

100,000 A 250,000

125

MAS DE 250,000

130

CLIMA:

Los climas extremosos tienen gran influencia en el consumo; cuando hace calor aumenta su empleo en baños, lavado de ropa, acondicionamiento de aire y riego de jardines; cuando hace frío, aumenta el consumo por calefacción y sobre todo por fugas cuando se llega a romper la tubería por congelación del agua. d).

TIPO DE ACTIVIDAD PRINCIPAL:

Se consideran tres tipos de actividades: AGRÍCOLA, INDUSTRIAL Y COMERCIAL, como actividades secundarias: la minería, turismo, pesca, y otras. e).

NIVEL ECONÓMICO:

Mientras mayor sea el nivel económico de una población, aumentarán las exigencias en el requerimiento de agua, pues la gente puede satisfacer mejor sus necesidades y comodidades. f).

CALIDAD DEL AGUA:

El uso del agua aumenta conforme su calidad es mejor, ya que se podrá emplear en todos los usos, principalmente en el industrial.

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g).

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PRESIÓN DEL AGUA:

Una presión excesiva o por el contrario muy baja, hacen aumentar la cantidad de agua consumida, en el primer caso por fugas y en segundo por desperdicio. Debe procurarse suministrar el servicio con una presión mínima de 1.00 kg/cm2 y máxima d 5.00 Kg./cm2 . Presiones mayores de 5.0 Kg./cm2 es necesario instalar en la red, accesorios que rompan la presión para que la tubería trabaje hidráulicamente bien. h).

MEDIDORES :

La instalación de medidores hace disminuir el consumo del agua por tenerse que pagar por ella, los desperdicios se reducen notablemente, sino se instalan medidores la dotación base puede incrementarse. El uso de medidores ahorra hasta en un 40 % el consumo de agua, por eso es muy importante se instalen medidores en los sistemas de agua potable. i).

COSTO DEL AGUA:

El diseño de tarifas adecuadas al costo real del agua se vuelve primordial, si no se corre el peligro de fomentar el desperdicio del agua o bien la ineficiencia de la administración de los sistemas de agua potable. El precio del agua para los usos es la principal motivación para ahorrar agua, es decir quien consuma más que pague más. Para el análisis de las estructuras tarifarías se toma en cuenta el servicio no medido y el servicio medido, clasificados en usuarios domésticos, comerciales e industriales a manera de información un litro de agua embotellada cuesta $5.00, un Litro de leche $7.20, un litro de refresco $6.00, el litro de Gatorade $17.75, el Garrafón de 19 litros de agua purificada cuesta $11.00, siendo el costo por un litro de agua de $ 0.58 centavos. El metro cubico de agua en la ciudad de Oaxaca proveniente de la red de distribución cuesta $ 0.63 centavos, lo que podemos apreciar es que el costo real del agua potable es muy baja y por eso se da el subsidio del Agua.

j).

EXISTENCIA DE ALCANTARILLADO:

En general, se gasta más cuando los líquidos residuales se eliminan con mayor facilidad. k).

FUGAS Y DESPERDICIOS:

La edad de la red de agua potable, la calidad de la tubería y la conservación de las mismas, influyen en la calidad de agua que se fuga, los desperdicios dependen en gran parte del nivel cultural de los usuarios. 1.7.- VARIACIÓN DE CONSUMO:

(coeficientes de variación)

El consumo no es constante durante todo el año, inclusive se presentan variaciones durante el día, esto hace necesario que se calculen gastos máximos diarios y máximos horarios, para el cálculo de estos es necesario utilizar Coeficientes de Variación diaria y horaria respectivamente. Un sistema es eficiente cuando en su capacidad está prevista la máxima demanda de una población. Para diseñar las diferentes partes de un sistema, se necesita conocer las variaciones mensuales, diarias y horarias del consumo. Interesan las demandas medias , las máximas diarias y las máximas horarias

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1.7.1 VARIACIONES MENSUALES Durante el año existen meses de mayor o menor consumo del agua dependiendo de los factores climatológicos, costumbres, actividades y otros muchos que lo afectan. 1.7.2 VARIACIÓN DIARIA. Las estadísticas demuestran que hay días del año con consumos mayores y otros con consumos menores con relación al consumo promedio diario. Así como existen variaciones mensuales en los consumos, también las hay en el día. De estas variaciones importa conocer las máximas normales para considerarlas en un abastecimiento de agua y evitar escasez en los días de gran demanda. La variación diaria se expresa como un coeficiente del gasto medio anual y depende de la temperatura y distribución de las lluvias en la región y le llamamos coeficiente de variación diaria, cuyo valor se obtiene estadísticamente, en el eje de las “x” se anotan los meses del año y el eje de las “y” se colocan las demandas o gastos ( figura 1.4). Los valores de los coeficientes de variación diaria son los siguientes: c.v.d = 1.40 para lugares de clima extremoso Normalmente se utiliza

1.4

1.7.3 VARIACIÓN HORARIA. También existen variaciones horarias con respecto al gasto máximo diario, el cual no es consumido por la población en forma constante durante las 24 horas del día, pero determinados lapsos será mayor ó menor que el gasto máximo diario. Para poder satisfacer las demandas máximas durante el día, se debe incrementar el valor del gasto máximo diario de un coeficiente que cubra esas demandas máximas horarias. Los valores de los coeficientes de variación horaria son los siguientes: C.V.H = Coeficiente de Variación Horaria = 1.55 (155 %) C.V.H = Coeficiente de Variación Horaria = 2.00 ( 200 %) Normalmente se utiliza un C.V.H. = 1.55 El diagrama mostrado en el anexo E( figura 1.4), nos ayudará a comprender más claramente de cómo se obtienen los coeficientes de variación diaria y horaria. COEFICIENTES DE VARIACIONES DE CONSUMO ( ANEXO E )

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(Figura 1.4) Qmedio diario = pob.proyecto x dotación = l. p.s 86400 Qmáx. Diario = Q medio diario x coeficiente de variación diaria = l.p.s Qmáx. Horario = Q máx. diario x coeficiente de variación Horaria = l.p.s Nota.Los valores mas usuales para los coeficientes Diario y Horario son 1.4 y 1.55 respetivamente.

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1.8.- GASTOS DE DISEÑO Los gastos de diseño para el estudio y elaboración de un proyecto de abastecimiento de agua potable son: a). GASTO MEDIO DIARIO: Cantidad de agua requerida por un habitante en un dia cualquiera del año de consumo promedio. Q

m.d

Pf x D

en lps

86,400 seg. Donde: Q.m.a, = Gasto medio diario, en l .p. s. Pf = Población futura. D = Dotación en litros/ habitantes - día. 86400 = segundos que tiene un día b).

GASTO MÁXIMO DIARIO.

El consumo medio anual sufre variaciones en más y en menos, pues hay días que por la actividad, la temperatura u otra causa, se demanda un consumo mayor que el medio anual ; este consumo se estima que fluctúa entre 120% para lugares de clima uniforme y de 130 % para clima variable, pero en poblaciones pequeñas llega a 200%. en general, en la República Mexicana el máximo consumo se registra entre mayo y julio. Para el diseño de sistemas de abastecimeinto de agua potable se tomará un coeficiente promedio de 1.40, como lo establece actualmente la normatividad de la CONAGUA. Al máximo consumo diario se le llama "gasto máximo diario", ( Qmáx.d ). La formula para calcular el gasto máximo diario es; QM.D = Qm.d. x c.v.d. Donde: QM.D = Gasto máximo Diario, lps Qm.d = Gasto medio diario, en lps c.v.d = coeficiente de variación diaria, normalmente se aplica 1.2 El gasto máximo diario se utiliza como base para el calcularl:  El gasto de extracción diaria de la fuente de abastecimiento 

El diámetro económico de la línea de conducción



La capacidad del tanque de regularización y/o almacenamiento

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c).



la capacidad de la planta potabilizadora (si se requiere)



La potencia del Equipo de bombeo.

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GASTO MÁXIMO HORARIO.

Este gasto sufre variaciones en las diferentes horas del día, por lo que en el día de mayor consumo lo que interesa es saber en que horas de las 24 se requiere mayor gasto. Se ha observado que en las horas de mayor actividad se alcanza hasta un 150% de "gasto máximo diario" y el coeficiente con el que se afecta al "gasto máximo diario" se llama "coeficiente de variación horaria" cuyo valor es de 1.5, gasto que se toma como base para el calculo del volumen requerido para la población en la hora de máximo consumo. La expresión para determinar el gasto Máximo horario es: Qmáx. h = Q máx.d x C.V.H Donde: Qmax. H = Gasto máximo Horario, en lps C.V.H

= Coeficiente de variación horaria

El gasto máximo horario se usa en el Diseño de:  El diámetro de la línea de alimentación  El diámetro de la red de distribución del sistema.

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1.9.- DATOS DE PROYECTO. Para efectuar los proyectos de las diversas partes que integran el sistema de abastecimiento de agua potable de una localidad, se debe establecer claramente los datos básicos del proyecto, en los planos ejecutivos como se indica en el siguiente cuadro: Población según el último censo oficial

Habitantes.

Población actual

Habitantes.

Población de proyecto o futura

Habitantes

Dotación

Lts/hab.dia

Gasto medio anual

L.P.S.

Gasto máximo diario

L.P.S.

Gasto máximo horario

L.P.S.

Coeficiente (C.V.D.)

variación

diaria

1.3

Coeficiente de variación horaria (C.V.H)

1.5

Tipo de captación

Superficial o subterranea

Conducción

Gravedad bombeo.

Tanque de regularización y/o almacenamiento

Superficial o elevado

Capacidad del tanque

1.9.1 ESTUDIO DE FACTIBILIDAD.

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Este estudio nos determina la posibilidad de que se realice la obra, ya que nos da idea del poder de endeudamiento de la localidad. Este estudio se apoya en los siguientes datos: población actual, dotación, salario mínimo, número probable de tomas domiciliarias. 1.

EJEMPLO DE ESTUDIO DE FACTIBILIDAD. Población 1990

26318 habitantes.

Dotación

200 lts/hab.dia.

Salario mínimo

$37.20

Fuente información

datos socioeconómicos.

No toda el agua que se capta se vende ya que hay fugas, desperdicios, servicios gratuitos y tomas clandestinas. Para calcular el volumen vendible ( Vv ) se considerará que el 80 % de la población tendrá servicios y que sólo se aprovechará el 70% de la dotación. Vv = 0.80 x 26318 x 0.70 x 0.200 = 2948 m3 /día. Vv anual = 2,948 x 365 = 1,078,020.00 m3. Para la estimación del número de tomas domiciliarias conectadas al servicio, se puede considerar que cada familia está integrada por 6 miembros, por lo que:

Número de tomas 

0. 80x 26318  3509 tomas 6

Por experiencias obtenidas en nuestro país y en otros, se ha tenido que pagar por servicio mensual de agua un día de salario, no perjudica la economía de la clase humilde, sin que esto quiera decir que éste debe ser el precio tope. Con base en el salario mínimo y en el número de tomas, se tiene un ingreso anual por servicio de agua de : 12 x 3509 x 37.20 = $1,566,417.60 El mantenimiento y operación de un sistema de agua potable demanda una inversión de $0.63 por cada m3 de agua servida, por lo que en el sistema en cuestión se gasta : $0.63 x $1,566,417.60 = $ 986,843.00 por un año (1970). $ 1,566,417.60 - $ 986,843.00 = $ 579,574.60 Con esta cantidad se podrá amortizar en 10 años a un interés del 9 % anual, un capital de :

579,574.60  $3,719,513.50 0.155,820 Que representa el poder de endeudamiento de la población, en 10 años. 1.9.2 REQUERIMIENTOS DE INFORMACIÓN PARA PROYECTOS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA

ELEBORACIÓN

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GENERALIDADES: 1.- Nombre completo de la localidad, Estado y Municipio a que pertenece. 2.- Censo actual de habitantes 3.- Comunicaciones 4.- Económia 5.- Aspecto de la localidad indicando tipo de edificaciones. 6.- Localización en el plano de carreteras adjunto. SERVICIO ACTUAL DE AGUA POTABLE 1.- Fuente (s) de abastecimiento a).- Localización, Distancia y Niveles b).- Gasto de explotación c).- Calidad del agua. Análisis d).- Obra de captación: Plano detallado 2.- Conducción a).- Plano (s) Planta y Perfil con indicaciones de gasto conducido, diámetro, clase y estado de conservación de la tubería y accesorios. 3.- Bombeo (s) a).- Planos de localización y de detalle b).- Número y características de bombas, motored y subestaciones eléctricas y estado de conservación. 4.- Potabilización. a).- Planos de localización y de detalle b).- Descripción y características de las unidades c).- Gasto tratado d).- Estado de Conservación. e).- Consumo actual de productos químicos. 5.- Regularización. a).- Planos de localizaión y de detalle del ó de los tanques. 6.- Distribución a).-Plano de la red indicando. A1.- Escala A2.- Nombres de calles A3.- Longitudes, Diámetros, y Clases de Tubería.

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A4.- Válvulas A5.- Hidrantes de toma pública A6.- Hidrantes de incendio A7.- Estado de conservación 7.- Tomas domiciliarias a).- Cantidad b).- Características c).-Tarifas d).- Estado de conservación INFORMACIÓN REQUERIDA PARA EL PROYECTO 1.- Fuente (s) de abastecimiento a).- Plano de detalle de la zona b).- Aforos c).- Envio de muestras de agua al laboratorio d).- Anteproyecto de captación propuesta e).- Distancia desde donde se pueda derivar la energía eléctrica. 2.- Conducción a).- Plano detallado de localización de la línea Planta a escalas 1:2000 ó 1: 5000 Perfil a escalas 1: 2000 ó 1: 500 b).- Plano de detalle de cruceros de la línea de conducción con carreteras, viás de ferrocarril, ríos, arroyos y canales. c).- Afectaciones ocasionadas por la localización de la línea, costos. d).- Clasificación del terreno para estimar costos de terracerías. 3.- Bombeo, Potabilización y Regularización. a).- Planos de detalles de la ó las zonas donde se localicen las plantas o tanques. b).- Costo del terreno para su adquisición. c).- Clasificación del terreno para estimación de terracerías. d).- Resistencia del terreno para cimentación. e).- Distancia desde donde se pueda derivar energá eléctrica. 4.- Distribución. a).- Plano topográfico actualizado de la localidad con indicación de escala y orientación en el que se anote. A1.- Nombres de calles A2.- Longitud de crucero a crucero de calles. A3.- Elevación de todos los cruceros

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A4.- Localización de industrias 1.- Fuente de Abastecimiento 2.- Gasto requerido A5.- Localización de edificios públicos y jardines b).- Plano predial. c).- Plano con las distintas zonas de población en cuanto a densidad. d).- Plano de pavimentos y banquetas 5.- Tomas domiciliarias a).- Cantidad de tomas existentes que deberán sustituirse por nuevas. b).- Cantidad de tomas nuevas c).- Longitud promedio de la toma. 6.- Hidrantes de toma pública a).- Localización y Justificación 7.- Hidrantes de incendio a).- Localización de acuerdo con el criterio conjunto de la Gerencia y Autoridades Municipales. 8.- Fuente de energía eléctrica a).- Localización b).- Voltaje c).- Frecuencia d).- Nivel de corto circuito e).- Medición 1.- Baja tensión 2.- Alta tensión f).- Carga trifásica máxima que se puede conectar a la red de distribución en baja tensión. g).- Potencia máxima a que se puede arrancar a tensión comleta en el punto de utilización. h).- Tarifa Nota.- Los levantamientos topográficos deben estar ligados y referidos a un mismo banco de nivel.

EJEMPLO No. 1 .- Calcular la población futura para la localidad de Llano grande Oaxaca, para el año 2010 en base a los datos censales siguientes:

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DATOS ESTADÍSTICOS: AÑO

NUMERO DE HABITANTES.

1960

365

1970

784

1980

1089

1990

1743

2000

2710

a). MÉTODO ARITMÉTICO: n = 2000 – 1960 = 40

2710  365 2345   58.63 40 40

Pf = 2710 + (58.63) (10) = 2710 + 586.32 = 3296 habitantes b). MÉTODO GEOMÉTRICO POR PORCENTAJE . AÑO

No. HABITANTES

INCREMENTO.

% DE INCREMENTO.

1960

365

---

1970

784

419

114.79

1980

1089

305

38.90

1990

1743

654

2000

2710

967

----

60.06 55.48 Σ % = 269.23

Para obtener el porcentaje de incremento, se obtiene dividiendo el incremento entre el número de habitantes del año que le correponde . El resultado se multiplica por 100 para obtener en % de incremento. Ejemplo:

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419

Abastecimiento de Agua

= 1.1479 x 100 = 114.79

365 305

= 0.389 x 100 = 38.90

784 967

= 0.5547 x 100 = 55.48

1743

% Pr = 269.23 = 6.73 40 Pf = Pa + (Pa) (%Pr) (N) = 2710 + (2710)(6.73)(10) 100

100

Pf = 2710 + 1824 = 4534 habitantes c). MÉTODO GEOMÉTRICO POR INCREMENTO MEDIO TOTAL. AÑO n + r)/n 1960 10

No. Habitantes

LOG.Pa.

Log Pf - Log Pa

log (1

365

2.5623

2.8943

0.332

0.0332

3.0370

0.1427

0.01427

1970

784

2.894

1980

1089

3.037

1990

1743

3.2413

2710

3.4329

2000

LOG.Pf

3.2413 3.4329

0.2043 0.1916

0.02043 0.01916 Σ = 0.08706

n = 10 son los años, entre censo y censo. Para calcular el valor de Log (1+r)/n , se obtiene dividiendo el valor obtenido de la diferencia de población entre el número de la diferencia entre censo y censo ( 1970 – 1960 = n = 10 ).

0.332 = 0.0332 10

;

0.143 =

0.01427

El promedio del log (1 + r ) se obtiene dividiendo la suma final entre el número de veces del valor del log (1 + r) / n ; para este caso fue de 4 veces como se puede ver en la tabla.

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Abastecimiento de Agua

Promedio log (1+r) = 0.08707  0.02177 4 log Pf = log Pa + N logPa (1+r) log Pf = 3.433 + (10)(0.02177) = log Pf = 3.433 + 0.2177 = 3.6505 Antilogaritmo de 3.6507 = 4474 habitantes. d).- MÉTODO DE MALTHUS . AÑO

No. HABITANTES

INCREMENTO.

VALOR .

1960

365

---

1970

784

419

1.1479

1980

1089

305

0.3890

1990

1743

654

0.6006

2000

2710

967

0.5548 2.6923

Para obtener el valor de delta () ; se divide el incremento entre el número de habitantes de cada año ; ejemplo: 419 = 1.1479

;

365

654

= 0.6006 ;

1089

305

= 0.3890

784

el valor promedio Δ , se obtiene dividiendo la suma del valor de  entre el número de veces. promedio = 2.6923  0.673 4

La población futura sera: Pf (1 + Δ )x ; sustituyendo valores se obtiene: Pf = Pa (1.713)x X=1 Pf = 2710 (1 + 0.673)1 = 4534 Habitantes e).- METODO GRAFICO

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Abastecimiento de Agua

El médoto grafico nos da una población de 3200 habitantes para el año 2010 Resumen: Método Aritmético

= 3296 Habitantes

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Abastecimiento de Agua

Método geométrico por porcentaje

= 4534 Habitantes **

Método geométrico por incremento medio total = 4447 Habitantes Método de Malthus

= 4534 Habitantes

Método Grafico

= 3200 Habitantes **

Los valores indicado con asteriscos se eliminan por ser menor y mayor, por lo tanto la población futura ó de proyecto será: POBLACIÓN FUTURA O DE PROYECTO: = 4474 + 4534 + 3296 = 4101 HABITANTES 3

SE DISEÑARA CON UNA POBLACIÓN DE PROYECTO DE: 4101 HABITANTES. Ejemplo 2. CALCULAR LA POBLACIÓN FUTURA PARA LA LOCALIDAD DE SAN PEDRO POCHUTLA,OAX., PARA EL AÑO 2010 EN BASE A LOS DATOS PROPORCIONADOS POR INEGI.

AÑO

No. HABITANTES.

1950

3090

1960

3066

1970

4395

1980

5817

1990

6244

2000

7300

MÉTODO ARITMÉTICO. n = 2000-1950 = 50 I 

7300  3090 4210  84.2 50 50

Pf2010 = 7300 + ( 84.2 ) ( 10 ) = 7300+ 842 = 8142 HABITANTES.

MÉTODO GEOMÉTRICO POR PORCENTAJE

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Abastecimiento de Agua

AÑO

NUM.DE HAB. INCREMENTO % . INCREMENTO.

1950

3090

---

1960

3066

-24

- 0.777

1970

4395

1329

43.350

1980

5817

1422

32.35

1990

6244

427

7.340

2000

7300

1056

16.912 % = 99.175

Pr = %

99.173 = 1.985 50

Pf = Pa + (Pa) (%Pr) (N)

= 7300 + (7300)(1.985)(10)

100 d)

= 8748 HABITANTES

100

MÉTODO GEOMÉTRICO POR INCREMENTO MEDIO TOTAL. LOGPf

 LOGPa n

AÑO

No. HABITANTES

LOG PA

LOGPf

LOGPf - LOGPA

1950

3090

3.4899

3.4866

-0.0033

-0.0003

1960

3066

3.4866

3.6429

0.1563

0.01563

1970

4395

3.6429

3.7647

0.1218

0.01218

1980

5817

3.7647

3.7955

0.0308

0.00308

1990

6244

3.7955

3.8633

0.0678

0.00678

2000

7300

3.8633 Σ= 0.03737

Promedio de Logaritmo (1 + r) = 0.03737 =0.007474 5 LOGPf2010

= LOGPa + N LOG ( 1+r )

LOG Pf

= 3.8633 + ( 10 ) ( 0.007474 ) = 3.93804

2010

ANTILOGARITMO DE 3.93804 d)

8670 HABITANTES

MÉTODO DE MALTHUS.

www.civilgeeks.com Pág 54.

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Abastecimiento de Agua

AÑO

NUM.HAB.

INCREMENTO

VALOR DE ∆

1950

3090

---

1960

3066

- 24

- 0.0077

1970

4395

1329

0.4334

1980

5817

1422

0.3235

1990

6244

427

0.0734

2000

7300

1056

0.1691 Ʃ= 0.9917

¡Error! Marcador no definido. x= 1.0 1.0 Pf  73001  0.19834  8748HABITANTES .

MÉTODO GRAFICO. DATOS: AÑO

No. HABITANTES.

1950

3090

1960

3066

1970

4395

1980

5817

1990

6244

2000

7300

www.civilgeeks.com Pág 55.

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Abastecimiento de Agua

El método nos da una población de 7850 habitantes.

www.civilgeeks.com Pág 56.

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Abastecimiento de Agua

Resumen: Método Aritmético

= 8142 Habitantes

Método geométrico por porcentaje

= 8748 Habitantes

Método geométrico por incremento medio total = 8670 Habitantes Método de Malthus

= 8748 Habitantes **

Método gráfico

= 7850 Habitantes **

Los valores indicado con asteriscos se eliminan por ser menor y mayor, por lo tanto la población de proyecto Sera:

POBLACIÓN FUTURA = 8142+8748+8669 =

8519.6 habitantes

3 POBLACIÓN FUTURA

= 8,520 HABITANTES

Ejemplo 3.- Calcular la población futura o de proyecto de la Localidad de “Guadalupe Victoria”, con los datos censales para el año 2008. DATOS: AÑO

No. HABITANTES.

1970

810

1980

948

1990

1188

1993

1337

2000

1540

Periodo economico (N) = 8 años

www.civilgeeks.com Pág 57.

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Abastecimiento de Agua

MÉTODO ARITMÉTICO. n = 2000 -1970 = 30 años I = 1540 – 810 = 24.33 30

Pf2008 = 1540 + ( 24.33 ) ( 8 ) = 1735 HABITANTES. b)

MÉTODO GEOMÉTRICO POR PORCENTAJE (%). AÑO

NUM.DE HAB.

INCREMENTO .

% INCREMENTO.

1970

810

---

1980

948

138

17.03

1990

1188

240

25.31

1993

1337

149

12.54

2000

1540

203

15.18

---

% = 70.06 % Anual promedio (%Pr) = 70.06 = 2.335 30 Pf = Pa + Pa (%Pa)(N) = 1540 + 1540(2.335) 8

= 1824 Habitantes

100 c)

MÉTODO GEOMÉTRICO POR INCREMENTO MEDIO TOTAL. Año

No. Log Pob. HABITANTES

Log Pf

Log Pf – Log Pf

Log (1 + r)/n

1970

810

2.908

2.977

0.069

0.0069

1980

948

2.977

3.075

0.098

0.0098

1990

1188

3.075

3.126

0.051

0.0051

1993

1337

3.126

3.188

0.062

0.0062

2000

1540

3.188

Σ= 0.0280

www.civilgeeks.com Pág 58.

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Abastecimiento de Agua

Promedio de Logaritmo (1 + r) = 0.0280 = 0.007 4 LOGPf = LOGPa + N x LOG ( 1+r ) LOG Pf = 3.188+ ( 8 ) ( 0.007 ) = 3.2440 ANTILOGARITMO DE 3.2440 = 1754 HABITANTES

MÉTODO DE MALTHUS. AÑO

NUM.HAB.

INCREMENTO

VALOR DE Δ

1970

810

---

1980

948

138

0.1703

1990

1188

240

0.2532

1993

1337

149

0.1254

2000

1540

203

0.1518 suma = 0.7007

Δ promedio = 0.7007 = 0.175 4 X = 8/10 = 0.8 Pf2008 =1540 (1 + 0.175)0.8 = 1752 HABITANTES

e).- MÉTODO GRAFICO.

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Abastecimiento de Agua

El método nos da una población de 1680 habitantes. Resumen:

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Abastecimiento de Agua

Método Aritmético

1735 Habitantes

Método geométrico por porcentaje =

1828 Habitantes **

Método geométrico por incremento medio total =

1760 Habitantes

Método de Malthus=

1752 Habitantes

Método gráfico =

1680 Habitantes**

Los valores indicado con asteriscos se eliminan por ser menor y mayor, por lo tanto la población de proyecto será:

POBLACIÓN FUTURA

= 1735 + 1760 + 1752 3

= 1,749 HABITANTES

Ejemplo 4.- CALCULAR LA POBLACIÓN FUTURA O DE FRACCIONAMIENTO “LA PAROTA” , PUERTO ESCONDIDO, OAXACA.

PROYECTO

DEL

POBLACIÓN DE PROYECTO O FUTURA. En vista de que se trata de un proyecto cuya población esta bien definida y se supone que no tendrá un crecimiento anárquico ya que las condiciones urbanas y de servicios se encuentran limitados por el proyecto urbano y tomando en cuenta el tipo de vivienda que se construirá en este conjunto (vivienda de interes social); se fijo una densidad de población de 6 habitantes por lote. Número de lotes: Por lo que Densidad de población Población de proyecto o futura

= 771 Unidades. = 6 Hab. / Unidad = 771 x 6 = 4626 Habitantes

Ejemplo 5.- CALCULAR LA POBLACIÓN FUTURA Y/O DE PROYECTO DEL FRACCIONAMIENTO “ JARDINES DE LAS LOMAS” . En virtud de que se trata de un proyecto cuya población se encuentra bien definida y se supone que no tendrá un crecimiento anárquico, ya que las condiciones urbanas y de servicio se encuentra limitadas por el proyecto urbano y tomando en cuenta el tipo de vivienda que se construirá en este conjunto (vivienda de interes socilal), se fijo una densidad, de población de 6 Habitantes / lote. por lo tanto tenemos que: Numero de lotes

185 unidades.

Densidad de Población

6 Habit. / Unidad

Población Calculada =(185 x 6)

1110 Habitantes

Población de Proyecto

1110 Habitantes.

 CALCULO DE GASTOS DE DISEÑO

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Abastecimiento de Agua

Ejemplo No. 1.- Calcular el gasto de diseño para un población de proyecto de 21,903 habitantes y una dotación de 150 litros/ habitante-día. La dotación se fijo en función del clima templado de la localidad y del número de habitantes, recomendado en la Tabla de la Pag. (23) DATOS: Población de proyecto= 21903 habitantes. Dotación = 150 lts/hab.dia. 1.

Cálculo del gasto medio anual :

Qm.a 

21903x150  38.03l. p.s 86400

Cálculo del gasto máximo diario = Qm.a. x C.V.D. = 38.03 x 1.3 = 49.44 L.P.S.

Cálculo del gasto máximo horario = Q m.h. x C.V.H. = 49.44 x 1.5 = 74.15 L.P.S.

Es importante recordar que con el gasto máximo diario se diseñará el diámetro económico de la línea de conducción , la capacidad del tanque de regularización, la capacidad de la planta de tratamiento nos servira conocer la capacidad de producción de la fuente de abastecimiento. El gasto máximo horario se ocupará para el diseño del diámetro de la red de distribución y de la línea de alimentación.

Ejemplo 2.- Calcular los gastos de diseño para el sistema de agua potable DEL FRACCIONAMIENTO LAS FLORES.

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Abastecimiento de Agua

DOTACIÓN. En función del clima, número de habitantes del proyecto, necesidades de la población y tipo de fuente de abastecimiento y en base a las especificaciones de la Comisión Nacional del Agua, se propone una dotación de 150 las./hab./día, siendo el servicio a base toma domiciliaria. DATOS: Dotación = 150 lts. /hab. Día Población a proyecto = 1668 Habitantes. Coeficientes de variación diaria = 1.2 Coeficiente de variación horario = 1.5 Determinación de gastos de diseño. Gasto medio diario anual Q.m.d = Pob. Proy. X dotación 86,400 Q.m.d = 1668 x 150 = 2,896 l.p.s 86,400 Gasto máximo diario (q máx. d) Q max d = q.m.d x 1.2 Q máx. d= 2.896 x 1.2 = 3.47 l.p.s. Gasto maximo horario (q máx. h) Q max. H = g máx. d x 1.5

= 3.47 x 1.5 = 5.20 l.p.s

Ejemplo 3.- Con los datos siguientes calcular los gastos de diseño para el sistema de agua potable del fraccionamiento “LA PAROTA” . DOTACIÓN.

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Abastecimiento de Agua

Para fijar el valor de la dotación, se tomaron todos los factores que pueden afectar notablemente para el consumo del agua, como lo establece las normas de proyectos de abastecimiento de agua por la República Mexicana de la C.N.A., dentro de las cuales se mencionan: a)

Uso que se le dará al agua.

Clima predominante en la zona.

Sistema de distribución del agua.

La distribución se hará a base de tomas domiciliarias, por lo que se selecciono una dotación con valore de: DOTACIÓN

150 lts./Hab.- día

COEFICIENTES. a).Coeficientes de variación diaria (C.V.D), cuyo valor es de 1.40 y se aplica directamente al gasto medio anual. b).Coeficientes de variación horaria (C.V.H), cuyo valor es de 1.55 y se aplica directamente al gasto máximo diario. El gasto medio anual y/o diarío (q.m.a), se obtiene multiplicando la población de proyecto por la dotación entre 86,400 segundos que tiene un día. Q.m.d. = Pf (Dotación) 86,400 Q.m.d. = 4626 x 150

= 8.03 l.p.s

86,400 GASTO MÁXIMO DIARIO (Q. max. D) Q.max.d = Qmax. C.v.d

c.v.d. = 1.40

Q.max.d = 8.03 x 1.40 = 11.24 lps. GASTO MÁXIMO HORARIO ( Q. max. h) Q.max.h = Q.max.d (c.v.h) c.v.h = 1.55 Q.m.h = 11.26 x 1.55 = 17.43 lps.

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Abastecimiento de Agua

CAPITULO II .- OBRAS DE CAPTACIÓN 2.1. FUENTES DE ABASTECIMIENTO: Las fuentes de abastecimiento deberán proporcionar en conjunto el Gasto Máximo diario; Sin embargo, en todo proyecto se deberán establecer las necesidades inmediatas de la localidad siendo necesario que, cuando menos que la fuente proporcione el gasto máximo diario para esa etapa, sin peligro de reducción por sequía ó cualquier otra causa. Si la calidad del agua no satisface las normas que exige el Reglamento Federal sobre obras de Provisión de Agua Potable, deberá someterse a procesos de Potabilización. Las aguas según su procedencia se clasifican de la siguiente manera: 1)AGUAS METEORICAS : Lluvias, Nieve, Granizo. 2) AGUAS SUPERFICIALES. a) b) c) d)

Ríos. Arroyos. Lagos. Presas, etc.

3)AGUAS SUBTERRANEAS : a) De manantial. b) De pozos someros, noria o profundos. c) De galería filtrante horizontales o verticales. Acuíferos. Actualmente se tienen registrados más de 650 acuíferos en el país. El volumen estimado de agua que se extrae de ellos es de 27 km3/s, que representa 36 % del agua destinada a usos consultivos ( aquellos en los que el agua es transportada a su lugar de uso y la totalidad o parte de ella no regresa al cuerpo de agua). La mayor parte del agua extraída se destina al uso agropecuario, seguido por el uso para abastecimiento público. Casi dos terceras partes del agua destinada al abastecimiento público y un tercio del agua extrida con fines agropecuarios se obtienen de fuentes subterráneas. Grado de presión. Una forma de medir la intensidad de uso de los recursos hídricos es mediante el grado de presión. Éste se calcula como el porcentaje que representa el volumen total de agua extraído con respecto a la disponibilidad natural media de agua. Se estima que en el año 2004 se extrajeron 75 km3 de agua de los ríos, lagos y acuíferos del país, lo que representa el 16 %del liquido disponible. El 64 % del agua extraída proviene de fuentes superficiales y el 36 % de fuentes subterráneas.

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Abastecimiento de Agua

AGUAS SUBTERRANEAS El agua del subsuelo es uno de los recursos naturales más valiosos de la tierra, el agua que se almacena en los poros, hendidura y abertura del material rocoso del subsuelo se le conoce como agua subterránea. La palabra acuífero se utiliza para describir una formación subterránea que es capaz de almacenar y transmitir agua. La calidad y la cantidad del agua varía de un acuífero a otro y en ocasiones cambia dentro del mismo sistema. Algunos acuíferos producen millones de litros de agua al día y mantienen su nivel, mientras que otros solo producen pequeñas cantidades. En ciertas áreas es posible que los pozos se hagan perforando a cientos de metros para llegar al agua utilizable, mientras que en otros, estos se encuentran a solo unos cuantos metros. Un sitio puede concentrar varios acuíferos ubicados a distintas profundidades, mientras que otro puede contener poco o nada de agua. La edad del agua subterránea varía de un acuífero a otro, por ejemplo un acuífero superficial no confinado podría contener agua de hace solo unos cuantos días, semanas o meces; en tanto que un acuífero profundo, cubierto por una o mas capas impermeables, podría contener agua con cientos e incluso miles de años de antigüedad. La velocidad de desplazamiento subterránea varía de acuerdo al material rocoso de la formación a través de la que se mueve. Cuando el agua se infiltra hacia el manto freático, se transforma en agua subterránea y comienza a moverse lentamente en gradiente hacia abajo. El movimiento del agua corresponde a las diferencias en los niveles de energía. Las energías que hacen que el agua subterránea fluya se expresan como Energía Gravitacional y Presión energética. Como se desplaza el agua a través del subsuelo a) Movimiento del agua a través de la grava. b) Movimiento del agua a través de la arena. c) Movimiento del agua a través de la arcilla. NIVEL FREÁTICO: Parte superior de un acuífero confinado; indica el nivel debajo del cual el suelo y la roca están saturados con agua. CUÍFERO CONFINADO: Acuífero limitado por arriba y por abajo por capas no permeables que transmiten el agua de forma significativamente más lenta que el acuífero no confinado. El nivel de agua de un pozo que cubre un acuífero confinado se lleva por arriba de su parte alta, por que este se encuentra bajo presión. También recibe el nombre de acuífero Artesiano. ACUÍFERO NO CONFINADO: Acuífero en el cual el límite superior es la parte alta del nivel freático. CAPA PERMEABLE: Porción del acuífero que contiene material rocoso poroso que permite que el agua penetre libremente. CAPA IMPERMEABLE: Porción del acuífero que contiene material poroso que no permite que penetre el agua; con frecuencia forma la base de acuíferos no confinados y los límites de los acuíferos confinados. ZONA DE SATURACIÓN: Parte de una formación que contiene agua en la cual todos los espacios (entre las partículas del suelo y los estratos rocosos) están llenas de agua. ZONA DE AERAEACION: Porción de un acuífero no confinado, por encima del nivel freático, donde los espacios de poro entre las partículas de tierra y formación rocosas están llenas de aire.

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Abastecimiento de Agua

CUADRO 1.2. PRINCIPALES DIFERENCIAS ENTRE AGUAS SUPERFICIALES Y AGUAS SUBTERRÁNEAS. CARACTERÍSTICAS

AGUAS SUPERFICIALES

AGUAS SUBTERRÁNEAS

TEMPERATURA

Variable según las estaciones

Relativamente constante

Turbiedad, material Suspensión Mineralización Hierro y Manganeso

en Variables a veces elevadas

Bajas o nulas

Variable en función de los terrenos Sensiblemente constante, Precipitación, vertido, etc. Mayor que en las aguas Superficiales Generalmente ausente Generalmente presentes

Gas carbónico agresivo Amoniaco

Generalmente ausente Presente solo en contaminadas

Sulfuro de Hidrógeno

Ausente

Normalmente presente

Sílice

Contenido moderado

Nitratos

Muy bajo en general

Contenido normalmente elevado Contenido a veces elevado

Elementos vivos

Bacterias, virus, plancton

Ferró bacterias.

Oxigeno disuelto

Normalmente saturación

Normalmente ausente aguas Presente frecuente sin ser índice de contaminación

la Normalmente muy bajo.

ausente

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Abastecimiento de Agua

CUADRO 1.3. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS FUENTES DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE SUPERFICIALES Y SUBTERRÁNEAS.

SUPERFICIALES VENTAJAS

DESVENTAJAS

SUBTERRÁNEAS VENTAJAS

Disponibilidad

Fácilmente Contaminada

Protección

Visibles

Calidad variable

Bajo color

Límpiables

Alto color

Baja turbiedad

Bajo fierro y Manganeso

Alta turbiedad

Bajo Sulfuro de Hidrógeno Baja dureza

2.2.-

Olor y color Alta materia orgánica

Calidad constante

DESVENTAJAS Alto Sulfuro de Hidrógeno Alta dureza Relativa No limpiables

Baja corrosividad Bajo contenido de Materia orgánica

OBRAS DE CAPTACIÓN.

Las obras de captación son las obras civiles y equipos electromecánicos que se utilizan para reunir y disponer adecuadamente del agua superficial o subterránea. Dichas obras varían de acuerdo con la naturaleza de la fuente de abastecimiento su localización y magnitud. Algunos ejemplos de obras de captación se esquematizan en la Fig 2.1 . El diseño de la obra de captación debe ser tal que prevea las posibilidades de contaminación del agua.

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Abastecimiento de Agua

Fig. 2.1 Obra de Captación

Es necesario separar en el término general de “obra de captación” el dispositivo de captación propiamente dicho y las estructuras complementarias que hacen posible su buen funcionamiento. Un dique toma, por ejemplo, es una estructura complementaria, ya que su función es represar las aguas de un río a fin de asegurar una carga hidráulica suficiente para la entrada de una estabilidad y durabilidad. Un dispositivo de captación puede consistir de un simple tubo, la pichancha de una bomba, un tanque, un canal, una galería filtrante, etc., y representa parte vital de la obra de toma que asegura, bajo cualquier condición de régimen, la captación de las aguas en la calidad prevista. El mérito principal de los dispositivos de captación radica en su buen funcionamiento hidráulico.

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Abastecimiento de Agua

2.2.1.- OBRAS DE CAPTACION METEORICAS. CAPTACIÓN DE AGUAS PLUVIALES. La captación de estas puede hacerse en los tejados o áreas especiales debidamente dispuestas. En estas condiciones el agua arrastra las impurezas de dichas superficies, por lo que para hacerla potable es preciso filtrarla. La filtración se consigue mediante la instalación de un filtro en la misma cisterna. Un dispositivo de este tipo se ilustra en la

Figura2.2

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Abastecimiento de Agua

Fig. 2.2 Captación de Agua Pluvial La recolección de agua de lluvia como única fuente de agua, sólo es conveniente en regiones con lluvia confiable a lo largo del año (o donde no están disponibles otras fuentes de agua), debido a que las obras individuales de almacenamiento para todas las casas de una comunidad rural pueden ser costosas. La cantidad de agua de lluvia que puede recolectarse depende del área de captación y de la precipitación promedio anual. Un milímetro de lluvia en un metro cuadrado produce alrededor de 0.8 litros de agua, considerando la evaporación y otras pérdidas. Cuando se diseña un sistema de captación de aguas pluviales es necesario determinar el área de captación y el volumen de almacenamiento. Donde:

Vs = D x t x ( 1 + ) x P

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Abastecimiento de Agua

Vs : Volumen de almacenamiento necesario para satisfacer la demanda en época de secas D : dotación, L/ hab./ día t : tiempo que dura la temporada de secas, días  : Factor de seguridad, mínimo 30 % en decimal P : número de habitantes El volumen anual de agua de lluvia captada se puede estimar a partir de la ecuación ( 1 ) donde se relaciona la precipitación media anual y área de captación. En diseños conservadores es conveniente considerar que se pueden aprovechar el 75 % de la precipitación total anual. Vc = Pr x A x n _________ ( 1 ) Donde: Vc Pr A n

: : : :

volumen anual captado, m3 precipitación media anual, m área de captación, m2 eficiencia de captación del agua pluvial, decimal

Si el volumen anual captado es mayor que el volumen de almacenamiento necesario para satisfacer la demanda durante la época de secas, no existirá problema de suministro. En el caso contrario, se tendrán problemas de abastecimiento. Entonces, al considerar sistemas de abastecimiento con agua de lluvia, se deberá garantizar al menos que el volumen captado es igual al volumen almacenado para satisfacer la demanda durante la época de sequía. EJEMPLO.1 Determinar qué volumen de agua puede ser almacenado en una cisterna próxima a una casa rural, con un área de captación de 70 m2, si la precipitación media anual es de 90 cm. Solución: Considerando una eficiencia de captación de 75 % (diseño conservador) y convirtiendo la precipitación media anual a metro, se tiene: Vc = 0.90 m (70 m2) (0.75) = 47.25 m3 EJEMPLO 2 Calcular el volumen de agua que se debe almacenar en una cisterna para una población de 1500 habitantes si se les asigna una dotación de 100 l/hab./día. La precipitación media anual es de 90 cm, y la época de lluvias dura 4 meses. Determinar el área de captación requerida para satisfacer el volumen de almacenamiento requerido. Solución: La duración de la época de sequía será: T = 8 meses x 30 días /mes = 240

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Abastecimiento de Agua

El volumen necesario Vs, para el consumo en época de secas, considerando un factor de seguridad de 30% será. Vs = 100 L / hab. d x 240 d x (1 + 0.30 ) x 1500 hab = 4.68 x 107 Litros Vs = 46, 800 m3 El volumen anual captado, considerando la precipitación media anual de 0.90 m, y un diseño conservador (75 % de eficiencia de captación), será: VC = 0.90 x A x 0.75 = 0.675 X A Para que no exista problema de suministro, al menos debe tenerse que: VC = Vs 0.675 X A = 46800 m3 Por lo que el área de captación necesaria es : A = 46800 / 0.675 = 69,333 m2 Es poco probable que la totalidad de las viviendas de la localidad considerada tengan la superficie de techos necesaria para proporcionar el área requerida para captar el agua suficiente, por lo que se requeriría la construcción de patios de captación de agua pluvial para que ésta fuera considerada una fuente confiable de abastecimiento. Las superficies de captación de agua de lluvia en piso pueden ser materiales impermeables que han recibido acondicionamiento químico (por ejemplo, la mezcla de sales de sodio con capas superficiales de suelo arcilloso) Si la superficie es lisa y el escurrimiento se almacena en un depósito, las perdidas por evaporación, saturación del material base e infiltración, son casi nulas. Como regla general, las perdidas en superficies de captación a nivel de piso con recubrimiento de concreto o asfalto son menores al 10 %; En techos aislados recubiertos con brea (alquitrán) y grava esparcida son menores al 15 %; y en techos de lámina metálica prácticamente no hay pérdidas. Se recomienda la construcción de trincheras que desvíen los escurrimientos superficiales protejan el área de captación en piso. Asimismo, se recomienda instalar cercas para evitar el paso de animales y personas. Las tapas de registro deben estar bien selladas. Es conveniente que los tubos de ventilación estén protegidos con rejillas para evitar el paso de animales e insectos, y se tenga previsiones para evitar el paso de luz, polvo y agua superficial. La cisterna de almacenamiento debe ser impermeable, con superficies interiores El orificio del registro debe tener un brocal bien sellado y que sobresalga del nivel de piso por lo menos 10 cm. La tapa de registro debe cubrir el brocal y proyectar, por lo menos 5 cm, su pestaña hacia abajo. Para evitar contaminación y accidentes la tapa del registro debe cerrarse con candado. Es importante contar con previsiones para desviar el agua de las primeras lluvias, época en que se lava el área de captación después del estiaje. También, se recomienda contar con drenes al fondo de la cisterna de almacenamiento con el objeto de drenar sedimentos acumulados y facilitar el lavado de la misma. Ninguna tubería que entre o salga de la cisterna de almacenamiento deberá conectarse al drenaje sanitario. Las cisternas enterradas puede construirse con tabique o piedra, aunque se recomienda el concreto reforzado. Si se utiliza tabique o piedra, estos deben ser bajos en permeabilidad y colocarse con

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juntas de cemento Pórtland. Los tabiques deben humedecerse antes de su colocación. Un recubrimiento con mortero cemento-arena 1:3 ayudará a impermeabilizar el depósito. Con el fin de conseguir una superficie dura y no absorbente, se utiliza una llana para aplanar el recubrimiento antes de que se haya endurecido. Es necesario mantener limpias todas las conducciones que colecten agua de lluvia hacia la cisterna. Los canales y techos deben mantenerse inclinados hacia la cisterna con el fin de evitar estacionamientos de agua. Los techos utilizados para captar agua de lluvia no deben pintarse. Materiales tales como las tejas vidriadas y el acero galvanizado son apropiados para superficies de captación. El agua atmosférica susceptible de aprovecharse mejor, hasta ahora, es el agua de lluvia. 2.3.- OBRAS DE CAPTACIÓN SUPERFICIALES. Para el diseño de obras de captación superficiales se requiere obtener, la información siguiente: a).- Datos Hidrológicos Gasto medio, máximo y mínimo Niveles de agua normal, extraordinario y mínimo Características de la cuenca, erosión y sedimentación Estudios de inundaciones y arrastre de cuerpos flotantes b).- Aspectos Económicos Planeamiento de opciones, elección de la más económica que cumpla con los requerimientos técnicos Costos de construcción, operación y mantenimiento Costo de las obras de protección Tipo de tenencia del terreno 2.3.1 Tipos de obras de toma. Dependiendo de las características hidrológicas de la corriente, las obras de captación pueden agruparse en los siguientes cuatro tipos:

a).- Captaciones cuando existen grandes variaciones en los niveles de la superficie libre. Torres para captar el agua a diferentes niveles, en las márgenes o en el punto más profundo del río, (Fig. 2.3)

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Abastecimiento de Agua

Fig. 2.3 Torres para captar agua a diferentes niveles

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Estaciones de bombeo flotantes. También pueden usarse en lagos o embalses (figuras 2.4a. y 2.4b).

Fig. 2.4 a) Estación de bombeo Flotante

CAPTACIÓN EN RIO NAVEGABLE EMBALSES O EN LAGOS Y LAGUNAS

(Fig. 2.4 b)

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b).- Captación cuando existen pequeñas oscilaciones en los niveles de la superficie libre, como estaciones de bombeo fijas con toma directa en el rió o en un cárcamo.

(Figura 2.5)

Fig. 2.5 a) En un cárcamo

Fig. 2.5 b) En río Fig. 2.5 Estación de bombeo

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Canales de derivación con o sin desarenadores. Una estructura de este tipo comprende, esencialmente (Figura. 2.6 )

Fig. 2.6 Canal con derivación Un muro equipado corrientemente de una compuerta en prevención de las crecidas (V1) Una incisión de la margen provista de compuertas que permiten detener las aguas en exceso y cerrar la toma (V2). Un canal ( C ) que, partiendo de la incisión cuente en su origen con un vertedor (D) que permita el retorno del agua sobrante al río, y Una compuerta (V3) que permita cerrar completamente el canal. c ).- Captaciones para escurrimientos con pequeños tirantes muro con toma directa. (Fig. 2.7)

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Fig 2.7 Muro con toma directa Muro con caja y vertedor lateral.

(Fig. 2.8)

Fig. 2.8 Muro vertedor con caja y vertedor lateral Muro con vertedor y caja central.

(Fig. 2.9)

(Fig. 2.9) Muro vertedor con caja central y toma

d).- Captación directa por gravedad o bombeo Este es el caso común para sistemas rurales por lo que se presentará con mayor detalle en un apartado especial.

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Captación directa Cuando el agua de un río está relativamente libre de materiales de arrastre en toda época del año, el dispositivo de captación más sencillo es un sumergido. Es conveniente orientar la entrada del tubo en forma tal que no quede enfrente la dirección de la corriente, y se debe proteger con malla metálica contra el paso de objetos flotantes(Fig 2.10 ).

Fig. 2.10 Métodos de protección de la entrada a la línea de conducción La sumergencia del dispositivo debe ser suficiente para asegurar la entrada del pago del gasto previsto en el sistema . En vista de que la dirección y velocidad de la corriente no pueden determinarse con exactitud en la zona de acercamiento es conveniente suponer una pérdida de carga por entrada equivalente a la carga de velocidad (V2 / 2g), siendo V la velocidad de flujo en el tubo para el diámetro y gastos dado y, g la aceleración de la gravedad. Esa pérdida se aumenta considerablemente si la entrada está protegida con rejillas. Su valor puede estimarse tomando en cuenta el área libre de entrada al tubo y el coeficiente de contracción del flujo a través de la rejilla. Si por ejemplo, una rejilla reduce el área del tubo en un 40 % y el coeficiente de contracción es del orden de 0.5, la perdida por entrada será de. hs =

1 x V2 0.6 x 0.5 2g

En el caso en que la captación por gravedad no sea factible debido a la topografía el método de captación recomendable es por bombeo. De las bombas disponibles comercialmente, la bomba centrífuga horizontal tiene la ventaja de que la ubicación del equipo de bombeo y el punto de captación pueden ser distintos, o sea que la estación de bombeo pude construirse en el sitio más favorable desde el punto de vista de cimentación, acceso, protección contra inundaciones, etc. Su desventaja principal es que la altura de succión queda limitada y el desnivel máximo permisible entre la bomba y el nivel de bombeo, es relativamente pequeño (Fig. 2.11)

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Fig. 2.11 Captación directa con bomba centrífuga horizontal De hecho, se puede afirmar que cuando se trata de la captación directa de las aguas superficiales, el tipo de bomba más comúnmente empleada es la bomba centrífuga horizontal. Su localización recomendable se ilustra en la (Fig. 2.12)

Fig. 2.12 Localización recomendable de la toma directa en curvas La bomba centrífuga vertical (tipo pozo profundo ) tiene mayor eficiencia, pero el costo del equipo es mayor y la estación de bombeo tiene que ubicarse directamente por encima del punto de captación. Estas condiciones a veces representan problemas graves de cimentación, resultando obras de construcción sumamente costosas no compatibles con sistemas rurales (fig. 2.13).

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Fig. 2.13 Captación directa con bomba centrifuga vertical 2.4.- OBRAS DE CAPTACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS. El agua subterránea existe casi en cualquier parte por debajo de la superficie terrestre, la exploración de la misma consiste básicamente en determinar en dónde se encuentra bajo las condiciones que le permitan llegar rápidamente a los pozos a fin de poder ser utilizada en forma económica. La manera práctica de hacer lo anterior incluye la aplicación de conocimientos técnicos, experiencia en la perforación y sentido común.(Fig. 2.14 Identificación de las aguas

subterráneas).

(Fig. 2.14)

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A continuación se describe un enfoque para realizar una exploración del agua subterránea. Ciertos indicios útiles en la localización de abastecimientos de agua subterránea son por ejemplo, que ésta probablemente se encuentra en mayores cantidades bajo los valles que en las partes altas; en las zonas áridas cierto tipo de plantas; nos indican que el agua que las nutre se encuentra a poca profundidad; asimismo en las áreas en donde el agua aparece superficialmente como son manantiales, pantanos y lagos, también debe existir agua subterránea aunque no necesariamente en grandes cantidades o de buena calidad; sin embargo, los indicios más valiosos son las rocas, ya que los hidrólogos y los geólogos las agrupan sin importar que sean consolidadas como las areniscas, calizas, granitos y basaltos; o no consolidadas como las gravas, arenas y arcillas. La grava, la arena, y las calizas, son las mejores conductoras del agua, sin embargo, solo constituyen una parte de las rocas que forman la corteza terrestre y no todas ellas aportan la misma cantidad de agua. La mayor parte de las rocas constituidas de arcilla, lutitas y rocas cristalinas son en general pobres productoras, pero pueden aportar agua suficiente para usos domésticos en las áreas en donde no se encuentran buenos acuíferos. Los lineamientos generales para realizar una exploración del agua subterránea son los siguientes: Primero se elabora un plano geológico que muestre los diferentes tipos de roca que afloren a la superficie y de ser posible, secciones y explicaciones anexas, deben mostrar justamente cuáles rocas son probables conductoras de agua y en donde se encuentran por debajo de la superficie. Después de reunirse toda la información respecto a la existencia de pozos, su localización, profundidad de perforación, profundidad a nivel del agua, caudal promedio y el tipo de rocas que se hayan encontrado al perforar. La historia de los pozos en donde el perforista ha tenido el cuidado de registrar la profundidad y el tipo de los diferentes estratos que ha ido encontrando al realizar la perforación, siempre son de gran utilidad para conocer las condiciones geohidrológicas de cualquier región. La historia de un pozo es realmente útil cuando incluye lo siguiente: Muestras de las rocas, información de cuáles estratos contienen agua y con qué facilidad la ceden, la profundidad a que se encuentre el nivel estático del agua en los estratos que la contengan y los datos de las pruebas de aforo y bombeo de cada uno de los acuíferos a fin de poder determinar cuánta agua pueden aportar y cuánto se abate el nivel del agua de acuerdo a los caudales de bombeo. Cuando no hay pozos o no existe la suficiente información sobre ellos, es necesario perforar algunos pozos de exploración, mediante los cuales se obtienen muestras del material encontrado durante el avance de la perforación, mismo que posteriormente es examinado y analizado para determinar cuáles estratos son los que contienen agua y de que tamaño son las áreas en que se extienden. Los reportes y los planos que sobre las condiciones geohidrológicas de cualquier región se elaboren, deben mencionar los lugares en donde puede encontrarse el agua subterránea, la calidad química de ésta y en forma muy general que cantidad puede obtenerse, asimismo los lugares en que tienen lugar la recarga y descarga natural de los acuíferos.

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RECONOCIMIENTOS GEOLÓGICOS: Mediante los reconocimientos geológicos es posible obtener conclusiones hidrogeológicas de una región, pudiéndose avanzar en forma rápida gracias al desarrollo que ha tenido a últimas fechas la fotointerpretación; sin embargo, en cualquier estudio siempre serán necesarios los reconocimientos de campo, que permiten afinar lo observado en las fotografías. En la exploración, el geólogo se sirve de la petrografía, de la estratigrafía de la geología estructural y de la geomorfología. La petrografía constituye uno de los renglones más importantes dentro de los reconocimientos geológicos, ya que mediante ella, es posible determinar la porosidad y la permeabilidad característica de los diferentes tipos de roca, eliminando en función de dichas características, las zonas que no representan condiciones favorables para la localización del agua subterránea. La porosidad determina la cantidad de agua que puede almacenarse y la permeabilidad la facilidad con que ésta puede extraerse. La tabla 2.1 muestra una clasificación general de algunos tipos de rocas en función de su porosidad y de su permeabilidad. TABLA 2.1 - PROPIEDADES ACUIFERAS DE ALGUNAS ROCAS COMUNES PERMEABILIDAD

POROSIDAD

PERMEABILIDAD MAXIMA Gravas bien clasificadas Basalto poroso Caliza calsificada Arenas bien clasificas Arenas y gravas mal clasificadas Rocas cristalinas fracturadas Limos y tobas Arcillas Roca cristalina masiva

POROSIDAD MÁXIMA Arcillas blandas Limos Tobas Arenas bien clasificadas Arenas y gravas mal clasificada. Arenisca Basalto poroso Caliza calsificada Roca cristalina fracturada Roca cristalina masiva.

La estratigrafía es un instrumento esencial para la prospección hidrogeológica de extensas regiones de rocas sedimentarias o volcánicas. La posición y el espesor de los horizontes acuíferos así como la continuidad de las capas confinantes revisten particular importancia, por lo que el auxilio de la estratigrafía resulta siempre indispensable. La geología estructural junto con la estratigrafía se utiliza en la localización de los horizontes acuíferos que hayan sido desplazados por movimientos tectónicos. Los estudios estructurales son también utilizados para localizar zonas de fracturación en rocas compactas pero frágiles; o bien en la localización de fallas en materiales no consolidados que en ocasiones pueden formar barreras hidrológicas, las cuales son importantes en el estudio del movimiento del agua subterránea. Las aguas de las capas acuíferas del subsuelo se clasifican en:

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a) aguas freáticas y b) aguas artesianas. Las aguas freáticas son aquellas que no tiene presión hidrostática, trabajan por la acción de la presión atmosférica, circulando el agua en materiales graduados, no confinados, como arenas y gravas, esta agua se localiza a profundidades que van de 1.0 a 30.0 metros . Las aguas artesianas son aquellas que están confinadas bajo una presión hidrostática mayor que la atmosférica, por una capa superpuesta de material relativamente impermeable esta agua se localiza a profundidades que van de 31.0 a 300 metros de profundidad o más. Desde el punto de vista de calidad las aguas artesianas es la de mejor calidad; en muchos casos potable, en otros muy mineralizada y es la que esta menos expuesta ala contaminación. Se estima que aproximadamente el 90% el agua que se usa para industria y más o menos el 70% de los abastecimientos públicos de agua para consumo domestico, procede del bombeo de aguas subterráneas, en nuestro medio. 2.4.1. CAPTACIÓN DE MANANTIALES: Generalidades. El principal objetivo es captar y aprovechar los pequeños manantiales, que se encuentran generalmente en las laderas de las montañas, con el fin de llevar el agua a las partes bajas, donde se aprovechará para el consumo humano ( figura 2.1.a) Los factores más importantes que intervienen en la localización, dirección y Área de influencia de los afloramientos son:  El ciclo hidrológico de la región  La topografía  La geología de la cuenca Las aguas de manantial generalmente fluyen desde un estrato acuífero de arena y grava y afloran a la superficie debido a la presencia de un estrato de material impermeable, tal como arcilla o roca, que les impide fluir e infiltrarse. Los mejores lugares para buscar manantiales son las laderas de montañas. La vegetación verde en un cierto punto de un área seca puede indicar la presencia de un manantial en el lugar o aguas arriba. Los habitantes de la zona son los mejores guías, y probablemente, conocen todos los manantiales del área. El agua de manantial generalmente es potable, pero puede contaminarse si aflora en un estanque o al fluir sobre el terreno. Por esta razón el manantial debe protegerse con mampostería de tabique o piedra, de manera que el agua fluya directamente hacia una tubería, evitando así que pueda ser contaminada. Para proteger el manantial debe excavarse la ladera donde el agua sale y construirse un tanque o “caja de manantial”, como se muestra en la (Fig. 2.15) El detalle de la figura muestra la unión de la tubería con los codos a 90o, con el fin de permitir que el filtro sea levantado sobre el nivel del agua para su limpieza. Debe tenerse el cuidado de no excavar demasiado en el estrato impermeable, ya que puede provocarse que el manantial desaparezca o aflore en otro sitio.

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Fig. 2.15 Caja de Manantial Antes de construir el muro de la caja de manantial adyacente a la ladera, es conveniente apilar rocas sin juntear contra el “ojo del manantial”. Esto es con el fin de construir una cimentación adecuada del muro posterior para evitar que al salir el agua deslave el material del acuífero. Debe tenerse presente que después de una lluvia el agua puede fluir más rápidamente por lo que el muro debe quedar firmemente colocado, para ello se pueden emplear rocas de gran tamaño combinadas con algunas pequeñas, grava e incluso arena para llenar los espacios. La tubería de salida debe estar colocada a cuando menos 10 cm sobre el fondo de la caja y bajo el nivel donde aflora el agua. Si el nivel del agua en la caja del manantial fuera muy alto, los sedimentos podrían bloquear el afloramiento del agua. En el extremo de la tubería de salida, localizado en interior de la caja, debe instalarse un filtro para evitar que piedras, ramas u otros objetos obstruyan la tubería. Una manera de hacer este filtro es con un tramo corto de tubería de polietileno, taponado en un extremo y con pequeñas perforaciones a su alrededor. También debe instalarse una tubería de demasías de diámetro suficiente para desaguar el gasto máximo en época de lluvias bajo el nivel de afloramiento del agua. El extremo de la tubería de demasías localizado en el interior de la caja debe quedar cubierto con un filtro adecuado para mantener fuera a los mosquitos y a las ramas. La losa de la caja debe quedar al menos 30 cm arriba del nivel del terreno para evitar que el agua de lluvia entre a la caja. También con esta finalidad, el registro que se construye en el techo de la caja debe tener un reborde de 10 cm. La tapa de registro debe quedar asegurada con bisagras y candado. Una tercera tubería localizada en el fondo de la caja se instala con la finalidad

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de extraer los sedimentos. Esta tubería debe tener en su extremo un tapón que no pueda retirar cualquier persona sin herramientas. Si no es posible hacer una excavación suficiente para que el fondo de la caja del manantial esté 10 cm por debajo de la tubería de salida, entonces puede usarse una tubería de 5 cm de diámetro y conducir el agua a otra caja localizada a una distancia no mayor de 50 m a la cual se le llama “trampa de sedimentos” (Fig.2.16). Esta caja también debe tener losa, tubería de demasías a prueba de mosquitos y tubería de salida a 10 cm del fondo con filtro. Si el manantial tiene un rendimiento menor a 5 litros por minuto la trampa se puede construir para varios manantiales, como se muestra en la (Fig. 2.16). Esta caja debe contar con registro

Fig. 2.16 Tres manantiales protegidos conectados a una trampa de sedimentos

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Los manantiales pueden ser de afloramiento, de emergencia, de grieta o filón según los insterticios de donde proviene el agua y de tipo artesiano según su origen Fig. 2.17.

(Fig. 2.17)

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La captación se puede hacer mediante cajas cerradas de concreto reforzado o mampostería denominadas cajas colectoras. El agua se debe extraer solamente con una tubería que atraviese la caja. Se debe excavar lo suficiente para encontrar las verdaderas salidas del agua, procurando que la entrada del agua a la caja de captación se efectúe lo mas profundo posible, se debe de dotar a la caja de un vertedor de demasías (Fig. 2.18 a y b )

CAJA COLECTORA PARA CAPTAR LAS AGUAS DE MANANTIAL

(Fig. 2.18 a) PERFIL CAJA COLECTORA

CAJA COLECTORA (Fig. 2.18 b) PLANTA Y PERFIL CAJA COLECTORA

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Recomendaciones para evitar la perdida del manantial o bien la disminución del gasto: Limpiar con todo cuidado la zona de afloramientos, quitando árboles, basuras, lodo, hierbas, etc. Conducir el agua por medio de tubería perforada de barro o de concreto sin juntear (Galería Filtrante), localizada a un nivel inferior al que tengan los brotes de agua, basta una caja colectora de mampostería, la cual debe tacharse con una losa de concreto. Al construir las cajas colectoras los muros no se deben desplantar a mucha profundidad, ya que al afectar excavaciones en la zona de afloramiento se notan cambios en el régimen hidráulico. Debe evitarse el uso de explosivos que casi siempre hacen perder el afloramiento y a veces es imposible volver a localizarlos. Debe evitarse el bombeo que se hace para trabajar en seco, pues aleja algunas corrientes de agua y aunque en ocasiones vuelven a aparecer en la superficie, pueden cambiar la localización del manantial. Hay que tener presente que la colocación de tuberías, materiales graduados, cajas colectoras, etc., debe hacerse precisamente sobre el manantial y no construir la conducción hasta tener una idea del gasto efectivo. AGUAS FREÁTICAS Como ya sabemos, estas aguas se caracterizan por estar a la presión atmosférica, esta agua no tienen presión hidrostática y circular en materiales granulares no confinados como arena, grava etc. Estas aguas se captan mediante pozos noria, mediante galerías filtrantes, mediante sistemas de puyones o de pozos Ranney. 2.4.2. POZOS SOMEROS Los pozos someros a cielo abierto ( norias) Son aquellos que permiten la explotación del agua freática y/o subálvea. Se construyen con picos y palas; tienen diámetros mínimos de 1.5 m. y no más de 30 m. de profundidad. Para permitir el paso del agua a través de las paredes de los pozos someros se dejan perforaciones de 25mm de diámetro con espaciamiento entre 15 y 25 cm, centro a centro. Si las paredes del pozo son de mampostería de piedra o tabique, se dejan espacios sin juntear en el estrato permeable para permitir el paso del agua (Fig. 2.19).

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2.19 Pozos Somero Los pozos someros ( hasta 30 metros de profundidad ) pueden tener las siguientes desventajas para servicio público. Da un rendimiento variable por la fluctuación considerable del nivel freático Calidad sanitaria del agua probablemente deficiente. Para estos pozos excavados a cielo abierto existe el procedimiento tipo " indio " ( por tener su origen en la India ). En estos pozos, la cimbra se forma previamente en el exterior y en el sitio de la construcción, se arma el refuerzo y se va colocando el ademe o pared, mismo que por su propio peso y con el auxilio de la excavación se va hundiendo a medida que se profundiza el pozo. El ademe se forma en anillos de 1.00 a 1.50 m. de altura, con el diámetro requerido y espesor mínimo de 0.30 m. dependiendo éste último del peso que debe tener los anillos para vencer la fricción entre el concreto y el suelo ( Figura 2.20 ).

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fig. 2.20 pozo tipo noria

2.4.3. CAPTACIÓN POR GALERÍAS FILTRANTES. Una galería filtrante se utiliza principalmente para captar el agua subálvea de corrientes superficiales, construyéndose de preferencia en los márgenes, paralelamente a la corriente o transversalmente, también cuando el agua subterránea está a profundidad moderada. Estas obras, en lo general, deben proyectarse de acuerdo con la posición y forma del acuífero, con el corte geológico y con las curvas de nivel del terreno y de la superficie exterior del nivel freático, a fin de orientar la galería con la dirección de la mayor pendiente de la superficie formada por el nivel de saturación. Las galerías filtrantes son excavaciones en túneles o a cielo abierto, revestidas o no, que penetran en la zona de saturación del terreno para captar y colectar por gravedad el agua del subsuelo.

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Se pude calcular el gasto de extracción de una galería filtrante utilizando la ley de Darcy Tomando en consideración el tipo de terreno en cual se haya. Si se tiene un excavación uniforme el área es función de Y; entonces Q = K Ai Por tanto: q=K y

dy dx

integrando qx = ½ K y² + C Para conocer C: cuando Y cuando Entonces:

y = H,

y = h, x = 0

x= L;

C = qL - ½ K H²

C = ½ K h²

Q = ½ K ( H² - h² ) L

Este gasto es unitario, es decir, por metro de longitud de galería y por lado ya que representa el aportado por una sola de sus paredes. Donde: Q = Gasto en m3/dia.. K = Coeficiente de permeabilidad y su valor varía según el diámetro efectivo del material adyacente como ya se explico . R = Radio del círculo de influencia en m. H = Carga estática o distancia vertical del nivel estático al estrato impermeable en m. L = Longitud de la galería en m. h' = Abatimiento observado. El área de penetración queda definida por la grava de envoltura del tubo de recolección y la longitud total del mismo. Para los afectos de adaptación indirecta de aguas superficiales normalmente se toma el área de la cara hacia él rió, dejando el flujo desde el lado opuesto como margen de seguridad. El gradiente hidráulico disponible es tomado desde el nivel del agua en él rió hasta la grava de envoltura. Por consiguiente, i = Z/L siendo Z la profundidad de la grava de envoltura con respecto al nivel estático de las aguas subterráneas y L, la distancia desde la orilla del rió hasta la galería. Como se puede ver en esta forma se obtiene el gradiente mínimo, ya que para estratos de alta permeabilidad puede presentarse el caso en que la depresión del nivel de las aguas subterráneas se inicie cerca de la galería, y la distancia L para el mismo valor de Z será mucho menor. Esta condición se refleja en una producción superior a la estimada, por lo tanto, se tendrá un factor de seguridad adicional.

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Es de observarse, también, que tanto el nivel del rió como el nivel estático de las aguas subterráneas varía según la época del año. Evidentemente, habrá que diseñar la galería tomando como base el nivel mínimo estimado. El diámetro y la separación de las perforaciones de la tubería de recolección se calculan para obtener una velocidad de entrada tal que se evite un arrastre de partículas finas desde el acuífero hasta dicha tubería. Esta velocidad puede fijarse de 5 a 10 cm/s, logrando este valor en la mayoría de los casos sin dificultad alguna. El tamaño de la grava de envoltura es función de la granulometría del acuífero y de las perforaciones de la tubería de recolección empleando normalmente piedra picada de ½ a 1” de diámetro nominal cerca del acuífero y tamaños ligeramente mayores cerca del tubo. La posición de la galería en un río puede ser transversal a la corriente o paralela a ella dentro o fuera del cauce, de acuerdo con la distribución y la circulación del agua freática o subálvea, que se determinarán por la observación de los pozos de exploración. Localización.- Se pueden construir paralelas o perpendiculares a la corriente, lo primero es lo más recomendable, debiéndose hacer la construcción en el estiaje( figuras 2.22, 2.23, 2.24, 2.25 y 2.26).

Galerías construidas por medio de tubos.-

En la captación de agua por medio de galerías filtrantes se utilizaron varios años perforadas con diámetro menor a 45 cm. El uso de tubos de concreto obligada a tener grandes diámetros y longitudes importantes de galería que encarecería mucho la obra; además, el manejo de los tubos de concreto simple perforados tenía que ser muy cuidadoso. Las galerías filtrantes se emplean también en la captación de manantiales cuando se presentan en las laderas o cuando afloran en una superficie y no en un punto definido ( figuras 2.21e , 2.21.f y 2.21.g).

Hidráulica de las galerías.- Las formulas teóricas que se han desarrollado para él calculo de los

gastos que se pueden captar con una galería filtrante están basados fundamentalmente en la “Ley de filtración de Darcy”, y en las teorías sobre el escurrimiento del agua en medios permeables, homogéneos e isotrópicos. También el diseño de la galería se puede hacer como sigue: conocido el gasto requerido, se elige un diámetro en los catálogos de tubería de acero ranurada por ademe, de preferencia la de tipo “concha”, con ranuras de 4.78 a 6.35 mm, obteniendo el área de infiltración requerida, dividiendo el gasto entre la velocidad de entrada del agua a través de las ranuras, considerando un valor de 1.0 cm/seg. La longitud de la tubería se obtendrá dividiendo el área obtenida entre el área de infiltración por metro, del diámetro considerado.

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PLANTA GALERIA FILTRANTE HORIZONTAL (CON CAJA COLECTORA)

(Fig. 2.21 f)

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GALERIA FILTRANTE HORIZONTAL CON CAJA COLECTORA

(Fig 2.21 g) Perfil caja colectora con galería filtrante horizontal

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PLANTA DE LA GALERIA HORIZONTAL Y MURO DE CONTECCION ESC:1:50

(Fig 2.21 e)

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GALERIA FILTRANTE

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(Fig 2.21 h) Planta y Perfil Galería Filtrante Horizontal

La tubería de la galería va unida al cárcamo de bombeo para fijar la localización, profundidad y características de la galería se efectuará previamente pruebas de campo, haciendo perforaciones de exploración con profundidades de 4 a 8 m., espaciados de 5.00 a 10.00 m. en el eje probable de la galería. Una galería de infiltración consiste en un tubo perforado o ranurado , rodeando de una capa de grava o piedra triturada graduada instalada en el acuífero superficial, o en el caso de captación indirecta de aguas superficiales, en el estrato permeable que se comunica con dichas aguas. En los extremos aguas arriba de la galería y a una longitud aproximada de 50 m, normalmente se coloca un pozo de visita. En el extremo aguas abajo se construye un tanque o pozo recolector, de donde se conducen las aguas por gravedad o por bombeo hacia el sistema de distribución (Fig. 2.22). El tubo de recolección usualmente es de concreto o de fibrocemento. Su diámetro es función del gasto, siendo el mas recomendable del orden de 200 ó 250 mm.

(Fig. 2.22) Detalle de una Galería de infiltración La galería de infiltración se orienta con la dirección predominante del flujo subterráneo. Cuando la velocidad de un rió es pequeña y existen extractos de alta permeabilidad que se conectan, la galería normalmente se instala paralela al eje del mismo. En este caso, la dirección del flujo subterráneo principalmente es desde el río hacia la galería, aunque desde el lado opuesto de la misma también penetrará el agua, ya que el río y la instalación de la galería será análoga (Fig. 2.23

y 2.24).

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Fig.

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2.23 Galería de infiltración con flujo del río hacia la galería

Fig. 2.24 Galería de infiltración con flujo del acuífero al río y la galería. En caso de cursos rápidos y extractos de baja permeabilidad, será necesario investigar la dirección del flujo subterráneo, a fin de interceptar el paso del mismo con la galería de infiltración. Normalmente, unos ramales perpendiculares al eje del río dan los resultados deseados (Fig. 2.25).Cuando no existen extractos permeables con la excepción de unos bancos de arena o grava depositados por el río en un lecho limitado la galería se instala por debajo del río, normal a su eje. La misma solución se emplea cuando el acuífero es de muy baja permeabilidad. (Fig. 2.26).

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Fig. 2.25 Galería de infiltración en extractos poco permeables

Fig. 2.26 Galería de infiltración bajo el lecho de un rió

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EJEMPLO 1.Como una idea inicial para el proyecto de una galería filtrante sin tener todavía las características del terreno, se reconoce éste como una mezcla de arena fina y sedimentos. Se desea saber la longitud de la galería para extrae un gasto de 5 lts./seg. La aportación a la galería será por ambos lados según se observa por su ubicación y condiciones geohidrológicas ; por tanto: Q = 2 (1/2 K H2 – h2 ) L Si se excava bajo el nivel estático 2 m y el tubo de captación es de 30 cm de diámetro , entonces:

H = 2 m;

h= 0.20 m

Supóngase que; L = 10 m K = 8.64 m/día q = 8.64 4 – 0.04 10 3 q = 3.42 m /día m Q = 5 lts/seg Q = 5 ( 60X 60 X 24 horas) / 1000 = 432 m3/dia/ m Q = 432 m3 /día L = 432 m3/día 3.24 m3/día m L = 126 m.

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EJEMPLO 2.Cálculo de la Galería filtrante horizontal. Q = 20 l./seg. V = Velocidad del agua a través de los orificios. V = 1 cm./seg. d = Diámetro de la tubería. d = 20 cm. Los diámetros de los agujeros varía de 2.5 a 5.0 cm., con una separación de 15 a 25 cm. D = Diámetro del agujero. D = 3.0 cm. A = Área de cada agujero. A = 0.785 D2 A = 0.785 ( 3.0)2 = 7.07 cm2. Tomaremos una separación de 15 cm. entre agujeros. Numero de agujeros = 100 cm/ 15 cm = 6.66 = 7 agujeros Número de hileras = semi perímetro /2S = ¶D /2S = ( 3.1416 X 0.20 ) / 2 X 0.15) = 2.09 = 3 Número de agujeros por metro = 7 agujeros x 3 = 21 agujeros. At = Area total. At = 7.07 x 21 = 148 cm²/ml. Ai = Área de infiltración. Ai =

Q 20000 cm3 / seg . =  20000 cm2 / ml V 1 cm / seg / ml.

Para determinar la longitud de la tubería: Área de infiltración: Área total de un orificio / metro por longitud.

Ai = A t x L. L =

Ai 20000 cm2 = = 134 ml. At 148 cm 2 / ml.

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EJEMPLO No. 3.Calculo de la longitud de una galería filtrante horizontal. Q = 7.94 l/seg. V = Velocidad del agua a través de las fisuras = 1 cm./seg. d = Diámetro de la tubería = 20 cm. D = Diámetro de los agujeros ( 2.5 - 5.0 cm. ) = 3 cm. S = Separación entre agujeros ( 15- 25 cm. ) = 15 cm. Ao = Área de agujeros = 0.785 d² = 0.785 ( 3 ) ² = 7.07 cm² No. de agujeros / m. = 100 cm. / 15 cm. = 6.66  7 agujeros. Número de hileros = semi-perímetro = ¶D/2S = ( 3.1416 x 0.20 ) / 2 x 0.15 ) = 2.09 = 3.0 No. de agujeros por metro = 7 x 3 hiladas = 21 agujeros/ ml. At = Área total de los agujeros . At = 7.07 cm. ² x 21 = 148 cm. ² / ml. Ai = Área de infiltración. Q 7.94 l.p.s. 7940 cm3 / seg. = = = 7940 cm2 V 1.0 cm./seg. 1.0 cm./seg. Longitud de la galería.

Ai =

L =

Ai 7940 cm2 = = 53.65 mts. At 148 cm2 / ml.

Se usará tubería de concreto simple ranurada con una longitud de 54 ml. y con un diámetro de 20 cm. orificio de 3 cm. de diámetro, separada 15 cm. 2.4.4. POZOS RANNEY O POZOS COLECTORES HORIZONTALES. Estos pozos radiales, consisten en un pozo central armado, de un diámetro inferior mínimo de 4.00 m con paredes de 0.45 m. cuyo fondo está cerrado con una solera fuerte de concreto armado ( figura 2.27.a ). A 1.20 m. del fondo del pozo y en orificios previamente dejados en las paredes del mismo, se introducen horizontalmente unos tubos perforados con longitudes de 30 a 80 m, estos tubo se

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introducen con ayuda de gastos hidráulicos. Los tubos llevan los siguientes accesorios (figura 2.27):  Una punta de acero en la extremidad externa, que facilitan su penetración en el terreno.  Unos anillos que sirven de guía al tubo y un cople o manguito impermeable.  La extremidad interior de cada tubo está provista de una compuerta plana que acciona desde la casa de máquina, emplazada sobre el pozo central. Estos pozos están fundados en los principios siguientes: Filtración de una gran superficie de capa acuífera Extracción artificial de la arena de la misma capa acuífera. Control del gasto del pozo cerrando los tubos convenientes. Impermeabilidad de las paredes del pozo, pues actúa como cárcamo o recolector de las aguas subálveas. La velocidad del paso del agua por los agujeros debe estar entre 6 y 12 mm, por segundo y en el tubo mismo de 1 a 2 m, por segundo.    

La zona de captación que se forma alrededor de cada tubo en servicio tiene una anchura comprendida entre 1.50 y 2.50 m, según sea la composición de la capa filtrante subálvea. La capacidad de captación en régimen normal de servicio la da la fórmula:

Q = 2 T r h ( K/15 )2 En la que: Q = GASTO EN M3 POR SEGUNDO R = radio del pozo en m. H = Altura del agua sobre la solera en régimen normal. K = Coeficiente de permeabilidad en m/s. El gasto pues, depende del radio r y de la altura h y como poco se puede hacer para aumentar dicha altura, debe actuarse sobre el radio, que puede ser grande. Al ser la velocidad de infiltración en estos pozos hasta 30 veces inferior a la de los ordinarios ( 0.1 mm. Contra 3 mm por segundo) el arrastre de arenas y elementos finos es menor y se reduce el peligro de asolvamiento de los tubos. Para regular esta velocidad de infiltración se maniobran las compuestas. El rendimiento hidráulico de la capa acuífera llega en estos pozos a 70 0 90 % contra 25 a 30 % de un pozo ordinario, pudiendo llegar, en capas freáticas, de 200 a 400 litros/ segundo. Si los pozos están próximo a un río, pueden dar de 750 a 1,150 litros/seg.

POZO RANNEY

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(Fig. 2.27 a)

2.4.5. SISTEMA DE PUYONES.

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También se puede captar el agua freática por un sistema llamado de puyones, cuando el medio permeable es arenoso y superficial. Este sistema consiste en hincar en el terreno una serie de tubos de pequeños diámetros ( 1" a 2" ) y de 4 o 5 metros de longitud ( figura2.28 ) . Estos tubos se perforan y se hincan a distancias que fluctúan entre 30 y 60 m. una de otra y se conectan todos a un tubo múltiple principal, que a su vez está conectado a una bomba centrífuga. Con éste sistema se captan pequeñas cantidades de agua, pues cada puyón en éstas condiciones capta más de 1 lts./seg. su empleo en nuestro medio depende de las características del suelo y del nivel freático. La tubería de la galería quedará unido al cárcamo de bombeo. Para fijar la localización. Profundidad y características de la galería se efectuarán previamente pruebas de campo, haciendo perforaciones de exploración con profundidad de 4 a 8 m. espaciadas de 5 a 10 m. en el eje probable de la galería. SISTEMA DE PUYONES

(Figura 2. 28).- captación de aguas freáticas por medio del sistema de Puyones

POZOS PROFUNDOS.

¿ QUE ES UN POZO DE AGUA?

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Es una perforación forrada o encamisada que intercepta las corrientes o acumulaciones de aguas subterráneas con el fin de extraerlas. Ya hemos visto que al agua artesiana está a presión diferente de la atmosférica por estar confinada entre dos capas de terreno impermeable. De las aguas subterráneas, ésta es la fuente que más agua proporciona y a la que se recurre cuando se abastece a poblaciones de fuerte concentración demográfica. Un “pozo artesiano” es aquel en el que el agua se eleva por encima del nivel en que se encuentra el acuífero, debido a la presión del agua aprisionada en el acuífero (Figura 2.29)

2.29 Esquema de pozos artesianos Haciendo referencia a la (Fig.2.30 y 2.31) , los componentes de los pozos son: a).-Ademe. Es una tubería, generalmente de acero, colocada con holgura dentro de la perforación. Proporciona una conexión directa entre la superficie y el acuífero y sella el pozo de las aguas

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indeseables superficiales o poco profundas. Además, soporta las paredes del agujero de perforación. b).- Cedazo, filtro o ademe ranurado. El cedazo es un tubo ranurado colocado al interior del ademe, que tiene las siguientes funciones: Estabilizar las paredes de la perforación. Mantener la arena fuera del pozo. Facilitar la entrada de agua al interior del pozo. Los cedazos se fabrican en tubo de diferentes metales con protección o sin ella, en aleaciones de plástico, concreto, fibrocemento o fibra de vidrio. Los más económicos y comúnmente usados, son los fabricados en tubo de acero con bajo contenido de carbón. Si las ranuras o perforaciones del cedazo no son de la dimensión precisa para el acuífero, los pozos bombearán arena. El cedazo del pozo es particularmente susceptible al ataque corrosivo y a la incrustación por depósito de minerales debido a la gran cantidad de arena expuesta que representa el medio poroso donde se localiza. Además, el agua que lo atraviesa constantemente puede traer sólidos dispuestos que reaccionen con el material del cedazo o entre sí. c).- Empaque de grava . Las funciones principales del empaque de grava son: Estabilizar el acuífero y minimizar el bombeo de arena. Permitir el uso del cedazo con la mayor área abierta posible. Proporcionar una zona anular de alta permeabilidad, aumentando el radio efectivo del pozo y su gasto de explotación. El sitio elegido para la perforación estará de acuerdo con los estudios geohidrológicos y/o geofísicos. El proyecto de entubamiento dependerá del corte geológico del pozo ya perforado y del registro eléctrico que nos dará la profundidad del acuífero. El diámetro del ademe estará en función del diámetro de los tazones del equipo de bombeo que asegure el gasto de explotación ( Figura 2.31).

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Fig. 2.30 Algunos tipos de pozos

1. Sello sanitario, generalmente con tubos de PVC. De 8” hasta 12” 2. Diámetro del pozo de 6” hasta 12“

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3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

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Tubo PVC encamisado de la bomba de 5” hasta 10” Filtro hecho con gravas de rió no 2 ó 3 Ranuras Nivel estático del agua Bomba sumergible Electrodo de seguridad Cable de Bomba Tanquilla de protección de la bomba Tablero electrónico de seguridad de la bomba.

figura 2.31.- Corte esquemático de un pozo profundo PASOS A SEGUIR EN LA LOCALIZACIÓN DE UNA FUENTE DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE.

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1).- Se visita la población y se platica con las autoridades que saben del problema del agua potable. 2).- Técnicamente se estudia el tipo de fuente que más convenga para la población. 3).- Con estos datos se elabora el estudio geohidrológico de la zona, para tener un documento que ampare la fuente que se propone. 4).- Las fuentes pueden ser:  Galerías filtrantes ya sean: Vertical, horizontal o combinadas.  Manantiales.  Pozos profundos. Dentro de los tipos de fuentes la más difícil y la que requiere de un conocimiento TécnicoCientífico, es la perforación de pozos profundos.

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CAPITULO I I I .- LINEAS DE CONDUCCION DEFINICIÓN Se llama " Línea de conducción " al conjunto integrado por tuberías, estaciones de bombeo y accesorios cuyo objetivo es transportar el agua, procedente de la fuente de abastecimiento, a partir de la obra de captación, hasta el sitio donde se localiza el tanque de regularización, planta potabilizadora o directamente a la red de distribución. Esta conducción, se puede efectuar de dos maneras, dependiendo de la ubicación de la fuente de abastecimiento con respecto a las obras de regularización. Si la fuente de abastecimiento se encuentra en un nivel topográfico arriba del tanque de almacenamiento, la conducción se realizara por gravedad, ya sea trabajando como canal (sin presión), o como tubo (a presión), siendo este ultimo el más común en las obras de abastecimiento de agua potable. Si la fuente de abastecimiento se encuentra a un nivel topográfico abajo del tanque de regularización, la conducción se realiza por bombeo. Podemos Clasificar las líneas de conducción en los siguientes grupos: 1. Por gravedad 2. Por Bombeo 3. Una combinación de ambas ( mixta ), ( Pág. 114) 3.1. Línea de Conducción por gravedad: Se presenta cuando la elevación del agua en la fuente de abastecimiento es mayor a la altura piezometrica requerida o existente en el punto de entrega del agua, el transporte del fluido se logra por la diferencia de energías disponibles. Las Líneas de conducción por gravedad Tiene dos variantes :  Por canales (sin presión), cuando la línea piezometrica coincide con la superficie del agua ( Figuras 3.1.a y 3.1.b ).  Por tuberías ( a presión ), cuando la línea piezometrica queda por arriba del lomo de los conductos ( Fig. 3.2.a y 3.2.b).

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a).- CONDUCCIÓN POR GRAVEDAD (UNIDAD 111) CANALES. En estos casos el gradiente hidráulico coincide con la superficie libre del liquido que circula por ellos, ya que no tienen variaciones en su presión, sino que conservan la presión atmosférica. Lo que caracteriza a un canal abierto o cerrado es que el agua escurre a la presión atmosférica, es decir, que la línea piezometrica coincide con la superficie libre del agua. La elección de este tipo de obra depende de la disponibilidad suficiente de agua en la fuente, del clima, de la topografía, de la constitución geológica del terreno en que se va alojar y el tipo de cooperación ofrecida por la localidad respecto a mano de obra; pues como la conducción debe tener la capacidad suficiente para llevar el gasto máximo diario, el canal debe conducir un gasto mayor en previsión a las perdidas por filtración y evaporación (disponibilidad de agua, geología, clima). La influencia topográfica se acusa en la inaccesibilidad a la línea para llevar materiales hasta el sitio de su instalación, influye asimismo en el que el convenio para su ejecución de la obra se estipule como cooperación de la mano de obra de la localidad, esto posiblemente no reduzca el costo de excavación y relleno, pero si allana considerablemente la dificultad para encontrar mano de obra segura. Desde luego que una obra de conducción en estas condiciones, frustraría las medidas sanitarias tomadas al captar el agua, por lo que para preservarla de contaminación de aguas de terrenos adyacentes, de impurezas de la atmósfera y al mismo tiempo evitar la filtración y la evaporación debe revestirse el fondo y los taludes y cubrirlas con losas precoladas, tabiques, lajas, etc., estas proposiciones, aunque no se debe, pueden evitarse si en la planeación del sistema se ha considerado el tratamiento del agua en alguna forma al final de la conducción. Debe hacerse notar que por la naturaleza misma del escurrimiento (gravedad) y por razones de conservación, las pendientes son pequeñas, por lo cual es necesario desarrollar el canal cuidando que la velocidad no baje de limites mínimos, 50 cm.p.s para no provocar azolves, ni exceda del máximo (tierra arcillosa de 1 a 1.5 m.p.s., mampostería de 1.5 a 2.5 m.p.s, concreto de 2.5 a 3.5 m.p.s.) para no causar erosiones. Naturalmente que en ocasiones, en la localización del canal se intercalan caídas a rápidas, puentes-canales, pasos subterráneos (los llamados pozos invertidos) y túneles. ( Figura 3.1.b) Un canal cubierto demanda mayor inversión, pero evita la contaminación que es sumamente importante porque es congruente con el fin primordial de la ingenierita sanitaria en el manejo del agua para el consumo humano; evita además la evaporación, la infiltración y hace más simple el tratamiento. En el cálculo de canales las secciones empleadas son las de tipo trapecial, rectangular y semicircular. Aunque la más económica es la semicircular, la más practica y común es la trapecial. En general los canales se revisten de concreto armado, colado en el lugar de la obra, pero pueden ser de mampostería o de tierra.

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figura 3.1.a .- Sección hidráulica transversal de un canal revestido trapecial. La formula más comúnmente empleada para calcular el gasto es la de chezy con coeficientes de Manning o de Bazin; Q = Av ------------------------ Formula de continuidad V = c rs -------------------- formula de Chezy para velocidad. C = 1/n r1/6 ----------------- coeficiente de Manning C = 87/ 1 + m/ r -------- coeficiente de Bazin

Por lo que sustituyendo el coeficiente de manning y de Bazin en la ecuación de Chezy, se obtiene que: V = 1/n r2/3 s1/2-------------V = 87 r S1/2 / m + r1/2

formula para determinar la velocidad por Manning _____

formula para determinar la velocidad

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SECCION TRANSVERSAL DE UN CANAL TRAPECIAL. B d

t=½x1

b A = b x d + t d2

El área hidráulica se calcula con la expresión : Donde: A = área b = ancho de la sección d = Tirante t = Talud

SECCION TRANSVERSAL DE UN CANAL RECTANGULAR

b Formula para calcular el área hidráulica del canal. A = bxd Donde:

A = Área hidráulica en m2 b = Ancho de la sección en m. d = Tirante en m.

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SECCION TRANSVERSAL DE UN CANAL CIRCULAR D

Formula para calcular el área hidráulica. A = ¶ D2 / 8 Donde:

A = Área hidráulica en m2 D = Diámetro de la sección en m.

Valores de n dados por Horton para ser empleados en las formulas de Kutter o Maning: Para Para Para Para Para

canales canales canales canales canales

en tierra, rectos y uniformes en roca, lisos y uniformes en roca salientes y sinuosos revestidos de concreto de mampostería con cemento

0.025 0.033 0.040 0.014 a 0.016 0.020 a 0.025

Valor de m: Para Para Para Para

canales de tierra paredes lisas, de concreto paredes de canto rodado o roca con salientes paredes mixtas

1.30 0.16 0.46 0.55

Debe aprovecharse al máximo la pendiente disponible pero siempre limitada por la velocidad máxima compatible con la erosión. Si se pasan estos valores se deben establecer saltos espaciados para perder altura. La elección del coeficiente de rugosidad debe fijarse en forma restrictiva suponiendo superficies más toscas de lo que son, previendo un desmejoramiento futuro, especialmente si los canales son pequeños. No debe olvidarse que en un canal descubierto únicamente pueden conducir aguas crudas por razones sanitarias.

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Línea de conducción por gravedad trabajando como canal y como tubería S = Pendiente hidráulica Cuando se tiene una línea de conducción por gravedad, con tubería de un mismo diámetro, puede presentarse el caso de que un mismo tramos trabajen a presión y otros como canal, parcialmente lleno, como se ve en la Figura 3.1á

Captación

“A”1

Gradiente Hidráulico en los tramos a presión “A”2 “A”3 Tanque

L Figura 3.1á En esos casos, para determinar el tirante real del agua dentro de los tramos “A1,A2 Y A3” (canal) podemos utilizar la formula de Manning. V = (1/n) R(2/3) S(1/2) ; para lo cual procedemos por tanteos suponiendo inicialmente tirantes de tal manera que al igualar la formula de Manning con la fórmula de continuidad ; V = Q/A nos de el mismo resultado.

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Línea de conducción por gravedad mixta ( trabajando como canal y como tubería )

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Cuando se tiene una conducción por gravedad, con tubería de un mismo diámetro, puede presentarse el caso de que unos tramos trabajan a presión y otros como canal, parcialmente llenos, como se ve en la (Fig.3. 1.b)

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Ejemplo 1.- Diseñar la línea de conducción por gravedad ( canal) ; que transporta un gasto de 2.5 m3/seg. Por un canal de sección trapecial, de 1.50 m de plantilla, talud 1:1, pendiente del fondo del canal So = 0.0004 y un coeficiente de rugosidad de manning n = 0.017, encuentre la profundidad del flujo “d”. ³

Q = 2.5 m3/seg. b = 1.50 m S0 = 0.0004 n = 0.017m m = 1:1 Calculando el área del canal A = bd + ½ x d = bd 0.5 md2 ;si m = 1 A = bd + 0.5d2 Pero: Talud = m =

x entonces; x = md d

A = bd + 0.5 d2 P = b + d + d (1 + m2) 0.5 P = 1.5 + 2d (1 + m2) 0.5 P = 1.5 + 2.414d R=

Area A  Perimetro P

Sabemos que: Q = AV y V = 1/n r2/3S1/2 Q = A(1/n)(r2/3)

Qn  Ar 2 / 3 1/ 2 S 2 2.5 x0.017 2 1.5d  0.5d  (1.5d  0.5d )( )2 / 3 1/ 2 (0.0004) 1.5  2.414d 0.0425  2.125 0.02

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1.5d  0.5d 2 2 / 3 ) 1.5  2.414d

2.125 = ( 1.5d + 0.5 d2) (

por lo tanto suponiendo un d = 1.349

1.5(1.349)  0.5(1.349) 2 2 / 3 ) 1.5  2.414(1.349)

2.125 = ( 1.5x1.349 + 0.5(1.349)2) ( 2.125 = ( 2.0235+0.9099) (

2.933 2 / 3 ) 4.756

2.125 = (2.933)(0.7245) 2.12 = 2.125 por lo tanto el tirante propuesto es correcto. d = 1.349 m

figura 3.1.c.- Canal revestido de concreto con talud 1:1, de sección trapecial

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B).- CONDUCCIÓN POR GRAVEDAD. TUBERÍAS. Para el proyecto de líneas de conducción a presión se deben tomar en cuenta los siguientes factores principales:  Topografía El tipo y clase de tubería por usar en una conducción depende de las características topográficas de la línea. Es conveniente obtener perfiles que permitan tener presiones de operación bajas, evitando también tener puntos altos notables.

 Afectaciones Para el trazo de la línea se deben tomar en cuenta los problemas resultantes por la afectación de terrenos ejidales y particulares. De ser posible se utilizaran los derechos de vías de cauces de agua, caminos, ferrocarriles, líneas de transmisión de energía eléctrica y linderos.  Clase de terreno por excavar (Geotecnia) En general, las tuberías de conducción deben quedar enterradas, principalmente las de asbesto cemento y PVC.  Cruzamientos . Durante el trazo topográfico se deben localizar los sitios más adecuados para el cruce de caminos, vías férreas, ríos, etc.  Normas de calidad y comportamiento de tuberías. Si el gasto disponible de la fuente es menor al gasto máximo diario que requiere la población, es necesario buscar otra fuente de abastecimiento complementaria para proporcionar la diferencia faltante. Tomando en cuenta que el tiempo de funcionamiento de la conducción por gravedad es de 24 horas, el gasto faltante se obtiene con la expresión :

24 T

( Qmd – Q

disponible

)

Donde Qmd es el gasto medio diario y T es el tiempo de funcionamiento del gasto ( Q) faltante en horas. En un sistema de agua potable por gravedad donde el gasto de la fuente de abastecimiento sea mayor o igual al máximo diario, no es necesario construir un tanque de regularización.

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Selección de la alternativa más viable Para un trazo definido de la conducción, después de haber encontrado el diámetro, el material más económico, y de haber probado varias alternativas de dispositivos de alivio, se selecciona la alternativa que mejor convenga desde el punto de vista hidráulico y económico. Es indispensable conocer las especificaciones de fabricación de las tuberías disponibles en el mercado, las pruebas de control de calidad, así como las recomendaciones para su transporte, manejo y almacenaje. Condiciones de operaciones más desfavorables. El cierre de una válvula al final de la conducción genera sobre presiones que son tanto mayores, cuanto más larga sea la tubería. Por esta razón, en cuanto a las sobre presiones más desfavorables es el caso de un cierre al final de la tubería. El cierre de una válvula intermedia genera sobrepresiones aguas arriba y depresiones aguas abajo. Depresiones se generan también con la apertura de una válvula al final de la conducción. Cual de los dos casos de depresiones es más desfavorable, depende de las características de cada conducción Los transitorios son tanto más violentos, cuando más rápido sea el cierre o apertura, y más alta la velocidad en la tubería. Una conducción por gravedad puede trabajar con diferentes gastos que se regulan por medio de la válvula de cierre ubicada al final de la tubería. El gasto máximo posible y con esto la velocidad máxima, se tiene con una válvula completamente abierta. No obstante, puede resultar que la sobrepresion máxima que acompaña el cierre de la válvula se produzca en una operación con gastos menores, como se explica a continuación. Conclusiones para el caso de una conducción por gravedad:  La sobrepresión máxima se produce con el cierre de la válvula al final de la conducción.  La sobrépresión máxima puede producirse con el gasto máximo en la conducción o gastos parciales si el tiempo de cierre es diferente en los dos casos.  La depresión máxima puede producirse con la apertura de la válvula al final de la tubería, con la apertura de una válvula intermedia. Las presiones máximas obtenidas se comparan con la resistencia de las tuberías. Sí éstas superan la resistencia de la tubería se busca la forma adecuada para reducirlas. La manera más sencilla consiste en hacer el cierre más lento. Para la mayoría de los tipos de válvula usados en condiciones de agua potable el efecto predominante se presenta al final del cierre. Por esta razón resulta efectivo un cierre en dos (o mas) etapas: un cierre rápido al inicio seguido por cierre lento al final.

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El cierre más lento o en etapas se realizan por medio de arreglos mecánicos especiales que se adicionan a las válvulas. Las sobrepresiones pueden ser reducidas también con válvulas de alivio o by-pass en las válvulas de cierre.  METODOLOGÍA DE DISEÑO. Los pasos a seguir para el diseño de una línea de conducción por Gravedad trabajando a presión son: PASO 1: TRAZO PLANIMETRICO. Obtener un plano topográfico de la región, con curvas de nivel espaciadas razonablemente y, en su defecto, hacer estudios topográficos siguiendo distintas rutas en dicha región, que nos permitan estudiar el trazado que nos dé la línea de conducción más económica, o sea la más corta y de menor diámetro; generalmente este es el resultado de varios tanteos. La conducción sigue los accidentes del terreno y, si se usan tubos de asbesto-cemento o PVC, va enterrada en una zanja, como medida de protección contra los agentes exteriores. ( Figura 3.2.a). Los cambios de dirección, tanto en el plano horizontal como en el vertical, deben efectuarse por medio de curvas suaves, utilizando la deflexión que permite las uniones de los distintos tipos de tubos.

( Fig.3.2.a), conducción por gravedad trabajado a presión. PASO 2: TRAZO ALTIMETRICO Debe hacerse un estudio del trazado en un plano vertical, es decir, debe construirse un perfil de dicho trazado. Por medio de esta representación grafica podremos conocer los accidentes

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topográficos presentes y sus dificultades; las posiciones relativas de la tubería con el terreno y con relación a la línea piezometrica, etc. Debe tenerse especial cuidado de que la línea de conducción se encuentre siempre por debajo de la línea piezometrica.

FIG. 3.2.b La (Fig. 3.2.b) muestra una conducción mal trazada, que tendrá presión negativa (vació) en los lugares que se encuentran sobre la línea piezometrica. Evidentemente, en los puntos C y D, en donde la línea piezometrica corta a la tubería, la carga de presión se iguala a la atmosférica. Si la velocidad del agua no es suficientemente grande, en el punto E se desprenderá el aire que lleva siempre disuelto el agua, con mayor facilidad que el caso que ya hemos estudiado antes, en que la línea piezometrica esta por encima de la tubería en un punto alto. Además, el aire puede entrar por las juntas imperfectas de la tubería entre los puntos C y D. Este aire modificará la línea piezometrica pasara de la posición HF a la HE. Como el gasto que circula por toda la tubería es el mismo, la línea piezometrica en su parte inferior tendrá que ser paralela a HE y, por tanto, la tubería entre E Y G estará sometida a la presión atmosférica y no trabajara a sección llena. Aunque se puede dar solución a este problema colocando en el punto E una bomba de vació para extraer el aire y mantener el grado de vació existente, será preferible evitarlo buscando mejores trazos de la línea de conducción, siempre que esto sea posible. Las tuberías que pasan sobre la línea piezometrica reciben el nombre de sifones. Si en el perfil del terreno natural aparece depresiones muy profundas, puede ser económico colocar Cajas Rompedoras de Presión (Fig.3.2.c), que tiene por objeto romper la línea piezometrica, lo que dará lugar a tuberías de menor espesor y por consiguiente, de menor costo.

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( Fig. 3.2.c) Nota: El deposito intermedio será una Caja Rompedora de Presión Sabemos que la clase de tubería a usar está determinada por la presión a que se encuentre sometida y ésta ultima depende de la distancia entre la tubería y la línea piezometrica.  CALCULO HIDRÁULICO: Una vez estudiado el trazo planimétrico y altimétrico de la conducción, se procede a calcular su diámetro. El diámetro probable de una línea de conducción se puede determinar por las expresiones ( 1 y 2 ) Diámetro Teórico = D = ( 3.21 Qn/ S1/2 )3/8

__________

(1)

Donde : Q = Gasto en m3 p.s. D = Diámetro del tubo en m. n = Coeficiente de rugosidad S = Pendiente hidráulica = Desnivel topográfico / Longitud de la línea = Hf / L

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o también aplicando la expresión: Diámetro Teórico = D = 1.2 a 1.5 Q

1/2

_______________

(2)

Donde: D = Diámetro Teórico en pulgadas Q = Gasto máximo diario en m3/seg. Para sistemas de abastecimiento de nivel rural se tomará 1.2 Para sistemas de nivel urbano se tomará

1.5

Para calcular la pérdida de carga por fricción aplicaremos la ecuación de Manning, la cual procederemos a deducirla, partiendo de la velocidad por medio de manning y de la ecuación de continuidad. V=

1 2/3 1/2 . r .s n

y de que Q = V.A Sustituyendo el valor de la velocidad: Q= A.

1 2/3 1/2 r .s n

Si: A =

¶ D2 4

Perímetro =¶D Q=

¶ D 2 1 2/3 1/2 . . r .s 4 n

¶ D2 D Pero: R = 4  ¶D 4

0.785D 2 D 2 / 3 1/2 . 2 / 3 .S Q= n 4

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0.785D 2 D8 / 3 1/2 .S . n 2.51

Q = 0.31D3/8.S1/2 Despejando la pendiente: S= (

Q.n 2 ) 0.31D8 / 3

10.24Q 2 .n 2 ; D16 / 3

10.24.n 2 2 = Q ; D16 / 3 L

sabemos que : s =

pero :

hf L

10.24n 2 D16/ 3

Despejando La pérdida de carga por fricción se tiene: Hf = K. L. Q2 Fórmula que nos permite calcular las pérdidas de carga por fricción por medio de manning. Donde : hf = Pérdida por fricción, en metros. L = Longitud de la tubería, en metros Q = Gasto de conducción, en m³/seg. K = Constante cuyo valor se obtiene de la tabla 3.1.2 de la pagina 165, entrando con el valor del coeficiente (n ) de rugosidad de Manning y con el diámetro comercial.  SECUELA DE CALCULO. 1).- Si se parte del principio de que el diámetro económico es aquel cuya pendiente de su gradiente hidráulico , sigue la pendiente topográfica sin clavarse en el terreno y sin alejarse demasiado del mismo, se puede establecer que : S= H/ L ; valores conocidos S = K. Q2

donde K= S/Q2

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El valor de " K " calculado, puede corresponder o no a un diámetro comercial para lo cual se debe recurrir a la (Tabla 3.1.2 pagina 165), donde ya se tiene tabulados los valores de " K " para diferentes diámetros y condiciones de rugosidad ( n). Si al buscar en ésta el valor calculado coincide con uno de la tabla, el diámetro se tendrá como único. En caso contrario, deberán adoptarse los valores inmediatos superior e inferior que corresponden a otros tantos diámetros, continuando con el proceso para calcular L1 y L2. 2).- Con los valores de K1 y K2 encontrados en la tabla respectiva se determina.

L1 =

H - K 2 .L.Q 2 Q 2 K 1 - K 2 

;

L2 =

H - K 1 .L.Q 2 . Q 2 .K 2  K 1 

3).- Finalmente se calculará las pendientes hidráulicas, por las expresiones: S1 =

H L1

;

S2 =

H . L2

H = Diferencia de energía disponible entre la cota de la fuente de abastecimiento y la cota del terreno natural en donde se localiza el tanque de regularización. S1 y S2 = Pendiente de los gradientes hidráulicos, en los tramos L1 y L2 de diámetro Ø1 y Ø2. 3.1.1.- MATERIALES. 3.1.1.a. TUBERÍAS : La gran mayoría de las conducciones para agua potable, están formadas por tuberías prefabricadas; solamente en casos especiales y para grandes caudales se fabrican en el sitio. Según la presión a la que se conduce el agua, así es el tipo y material de la tubería seleccionada; en general se emplean tuberías de concreto, Fibrocemento, acero, polietileno ( PVC), Tubacero, extrupak, fierro galvanizado y fierro fundido.  Tuberías de concreto La tuberías de concreto pueden ser simples o armadas; las primeras se emplean para aguas sin presión y hasta diámetros de 0.60 m ; las segundas para diámetros mayores de 0.60m y cuando se conduce agua a presión.

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El refuerzo puede consistir en varillas de acero colocadas en anillos individuales o corridas como resorte para absorber los esfuerzos en tensión, que van apoyadas en otras varillas longitudinales que al mismo tiempo que sujetan el esfuerzo principal, absorben los esfuerzos longitudinales debido a cambios de temperatura, flexión y manejabilidad. Para altas presiones y con objeto de disminuir al máximo las filtraciones, el refuerzo puede ser un tubo formado por placa de acero. La durabilidad de la tubería de concreto es de unos 75 años. Con la edad disminuyen los coeficientes de fricción en la formula de Hazen – Williams, se puede suponer de 130 al principio, de 110 después de 10 años de uso, 100 a los 20 y 80 en los siguientes. La velocidad recomendada para evitar erosión y grandes perdidas por fricción en esta clase de tubos varía de 1.00 a 1.50 m/seg. Las uniones en tuberías de concreto simple son a base de macho y campana, junteada con mortero y colocadas de tal manera que el agua circula con respecto al tubo, en el sentido de campana a macho. En las tuberías reforzadas, la unión puede ser también a base de macho y diámetros, según los espesores, se emplea el mismo tipo de junta pero con apariencia continua, tanto en el interior como en el exterior.  Tuberías de asbesto – cemento El asbesto cemento ha venido usándose con ventaja sobre gran parte de otros materiales por resultar tuberías con costos relativamente bajos, rápida y fácil colocación y mínima necesidad de conservación, además de presentar la ventaja de poderse cortar y perforar con suma facilidad, no obstante a su alta resistencia. Se construyen en longitudes de 4 m. para diámetros de 76 mm ( 3”) hasta 914 mm (36 “) y en cuanto a tipos de nominados A-5, A.7, A-10 y A-14 indicando el número la presión de trabajo en atmósferas. La velocidad recomendable varía de 0.60 m/seg en los diámetros más chicos hasta de 1.50 m/seg en los diámetros mayores. La durabilidad de estas tuberías se estima entre 75 y 100 años.  Tuberías de acero. Este tipo de tubería se recomienda en los casos de conducción de agua a elevadas presiones y para velocidades hasta de 5 a 6 m/seg para lograr diámetros menores y por lo tanto mayor economía. También se emplea, en pequeños tramos, en combinación con tuberías de otros materiales cuando se trata de soportar cargas y esfuerzos interiores y exteriores más elevados que estas no puedan soportar. Los tubos están formados por placas de acero remachadas o soldadas, prefiriéndose actualmente este último sistema. Los tubos de acero se fabrican con diámetros desde 4.5 pulgadas (114.3 mm) hasta 48 pulgadas (1219 mm) . Su producción está sujeta a un estricto control de calidad que toma en cuenta las normas D6N-B–177 y B-179-1978. Las tuberías de acero son recomendable

para líneas de conducción cuando se tienen altas presiones de trabajo

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La unión entre tubos se efectúa a tope con soldadura o usando bridas. La brida consiste en un anillo con ceja perimetral, soldado o atornillado en los extremos del tubo, cuyo diámetro interior es igual al diámetro exterior del tubo. La ceja contiene perforaciones que se hacen coincidir con las perforaciones de la brida del tubo siguiente para fijarse con tornillos. Entre las bridas se colocan empaques de hule o plomo para evitar las fugas. La durabilidad de estas tuberías se estima entre 25 y 50 años. De acuerdo con su edad, varían los coeficientes de fricción, recomendándose en la formula de Hazen - William 135 cuando es nueva y 100 para sus últimas etapas. Aún cuando estas tuberías el diámetro puede ser cualquiera, es conveniente apegarse a los diámetros comerciales por razones de economía.  Tubería de polietileno La tubería plástica de cloruro de polivinilo (P.V.C), se está empleando con grandes ventajas para conducción de agua potable . Es muy resistente a la acción de diversos productos químicos; no imparte olores ni sabores al agua; su poco peso facilita su transporte y colocación. Ofrece poca resistencia al escurrimiento. Se le estima una vida útil de 50 años. 3.1.2.- ESPECIFICACIONES En la fabricación de tuberías utilizadas en los sistemas de agua potable, las especificaciones de resistencia a la presión de trabajo es fundamental . La tubería de PVC hidráulica Duralón se puede clasificar según el sistema de dimensionamiento, la presión de trabajo y el tipo de unión que usa. Clasificación por Sistema de dimensionamiento. La base de esta clasificación son el tipo de sistema que se usa, ya sea Serie Inglesa o Serie Métrica. 3.1.a.- Serie Inglesa (SI). Se basa en tuberías cuyas especificaciones originales son de EE.UU. normalmente de la American Society for Testing and Materials (ASTM –Asociación Americana para Pruebas y Materiales). Una característica importante es que el diámetro nominal (DN) no corresponde al diámetro externo (DE) ni al diámetro interno (DI). Mantiene constante el DE para los diferentes espesores de pared (e), por lo que el diseño del tubo se basa en esta característica. Este tipo de tubería de PVC fue de las primeras en comercializarse en México. Se mide en pulgadas expresadas en milímetros. 3.1.b.- Serie Métrica. Las especificaciones originales para este tipo de tuberías proceden de la International Standars Organization ( ISO – Organización Internacional de Normas ). En este caso el DN corresponde al

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DE. Al igual que la tubería de Serie Inglesa mantiene constante el DE a diferentes espesores de pared. Se mide en milímetros. NOTA. los diámetros de los dos tipos de tuberías no coinciden dimensionalmente por lo que no se pueden hacer uniones directamente, sino mediante el uso de una transición. 3.1.C.- CLASIFICACIÓN POR Clases, RD´s y Cédula. Una segunda clasificación muy usada depende de la presión recomendable de trabajo (PT) y según el sistema de dimensionamiento se pueden clasificar en Clase, para la Serie Métrica, RD´s y Cédula para la Serie Inglesa.

3.1.a.- Relación de Dimensionamiento ( RD).

El RD se define como el cociente de dividir el diámetro externo promedio entre el espesor mínimo de pared. La siguiente figura ejemplifica dicha relación.

emin.

RD  DEprom

DEprom e min

Esta unidad de clasificación es utilizada en las tuberías de PVC de la serie Inglesa. El siguiente cuadro presenta los RD´s más comerciales con las respectivas presiones recomendables de trabajo.

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Cuadro 3.1. características de la tubería de PVPC sistema Ingles.

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y las presiones de trabajo recomendables

3.1.1.b.- Clases.

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Para la Serie Métrica la clasificación se hace por clases; la clase corresponde a la presión recomendable de trabajo de la tubería, de este modo una tubería clase 10 soporta una presión recomendable de 10 Kg/cm2, una clase 7, soporta 7 Kg/cm2, etc. El diseño de la tubería también se basa en la relación que existe entre el espesor de pared y el diámetro externo del tubo. Dándole un espesor de pared necesario al tubo respecto a su diámetro dependiendo de la presión que va a soportar. El cuadro 3.2. muestra las clases de tubería comerciales en México con su respectiva presión recomendable de trabajo. Cuadro 3.2.- Características de la tubería de PVC Sistema Métrico

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3.1.2.- Cédulas. La tubería clasificada por cédulas cumple con las dimensiones de la tubería de fierro galvanizado ( Fo. Go.). La presión recomendable de trabajo es variable, dependiendo del diámetro, ya que depende de la relación entre el diámetro y el espesor. Las Cédulas existentes son:  Cédula  Cédula  Cédula

40 80 120

3.1.3. Clasificación por el tipo de unión: Esta clasificación esta basada en los tipos de unión mayormente usados en tuberías de PVC para agua potable, a continuación se describen brevemente: Unión Anger: Esta unión también es conocida como unión espiga – campana. Los tubos por un lado tienen una campana conformada con un nicho donde se aloja un anillo empaque de material elastoméTrico el cual hace el sello hermético; por el otro lado tiene la espiga. La unión se muestra en la figura 3.1.3.a.

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figura 3.1.3.a.- Unión Anger utilizada en la tubería mostrando las partes que la conforman

Unión bridada: Es utilizada principalmente para hacer uniones con piezas de fierro fundido ( Fo. Fo), válvulas de compuerta, medidores de gasto y bombas de agua. Consiste de piezas unidas de PVC con dimensiones estándares ( figura 3.1.3.b y 3.1.4.c).

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( figura 3.1.3.b).- Unión Bridada de tubería de PVC.

Figura 3.1.4.c Unión Roscada : Utilizada para unir PVC con Fo Go, válvula roscada, válvula de aire, liberadora de presión, etc. Las roscas son del tipo NPT (Tiper Pipe Thread). Regularmente a la tubería se le cementa un adaptador macho o hembra roscada ( los tubos cédula 40, 80 y 120 pueden ser

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roscados con “ tarraja” de igual manera que los tubos de Fo Go, sobre todo los diámetros pequeños). Otras Uniones: Para tuberías de PVC cuyo diámetro vaya desde 355 mm (14”) hasta 630 mm ( 24”), las uniones con piezas de Fo Fo se hacen mediante juntas mecánicas también de Fo Fo. La figura 3.1.1.d, muestra la unión con junta mecánica. Tubería Extru-pak.- Es un sistema de tubería constituido por polietileno PE-3408 EXTRU-PAK posee el grado más alto de resistencia a la abrasión, se utiliza para el suministro de agua potable en líneas de conducción de grandes diámetros y grandes longitudes. Se dan las especificaciones de dicha tubería (figura 3.1.5d) CARACTERÍSTICAS

Figura 3.1.5.d.- Tubería Extru-pak CONDICIONES DE ZANJA

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EXTRU-PAK es un sistema que puede operar sin encamado ni material de compactación, esto hace que su construcción sea más sencilla y económica. Por otro lado, los perfiles de excavación son 60 % menores a los sistemas convencionales y no se requiere el uso de atraques.

Figura 3.1.6e.- Excavación de zanja para alojar la tubería SISTEMAS DE UNION POR TERMOFUSIÓN El sistema de unión por termofusión es una de las características que nos diferencian fuertemente de otros sistemas convencionales. Esto consiste en calentar los extremos de dos tubos durante un tiempo determinado y unirlos con cierta presión.

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La unión se da al compenetrarse ambas caras del tubo formando una misma pared (la pared del tubo tiene una orientación molecular linear, después del proceso de termofusión, las moléculas se conforman en una orientación axial que la hace aún más sólida). FACILIDAD DE MANEJO Al comparar tuberías similares se encontró que EXTRU-PAK pesa 8 veces menos que el acero (cédula 40) y 3 veces menos que el asbesto cemento.

COMPRESIBILIDAD

EXTRU-PAK es el único material capaz de comprimirse por medio de una prensa hasta interrumpir su flujo. Esto permite que se hagan reparaciones en línea viva sin tener que afectar a otros usuarios que se benefician con el sistema. Esto puede hacerse en repetidas ocasiones y siempre recupera su forma original.

Figura 3.1.7.f.- Prueba de aplastamiento tubería extru-pak.

SEGURIDAD. Los márgenes de seguridad que presenta EXTRU-PAK son mayores que aquellos del PVC o Asbesto Cemento. Su resistencia mecánica le permite soportar todo tipo de impactos sin estrellarse. La unión por termofusión también impide fugas que en algún momento causen desperdicio o sean peligrosas. En pruebas de laboratorio el material de EXTRU-PAK es capaz de elongarse en un 400%. Esto reafirma la capacidad de soportar impactos y opresiones.

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TIPOS DE INSTALACION UNION DE SILLETA

1.- Se coloca el calentador entre el lomo del tubo y la cara de la silleta. Esto se hace durante el tiempo especificado.

2.- Se retira el calentador y se pega la silleta al tubo presionando hasta que pasa el “tiempo de enfriamiento.”

UNION DE SOCKET

1.- Se coloca la pinza y el anillo frío en el extremo de la tubería para que funja como tope.

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2.- Se embona el calentador entre el extremo de la tubería y la conexión presionando durante el “tiempo de calentamiento”.

3.- Se retira el calentador introduciendo la tubería en la conexión hasta llegar al tope, luego se sostiene hasta que pase el tiempo de enfriamiento”. UNION A TOPE

1. Se coloca la tubería en el carro alineador y se escuadra.

2.- Se unen los extremos de la tubería al calentador aplicando presión hasta que se forme un anillo de material fundido.

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Al formarse dicho anillo se inicia el “tiempo de calentamiento” especificado.

3. Se retira el calentador y se juntan los extremos aplicando presión suficiente para alcanzar la unión.

APLICACIONES MINERIA Problema: Abrasión y Suelos difíciles. Solución: Por estar constituido con polietileno PE-3408 EXTRU-PAK posee el grado más alto de resistencia a la abrasión. 10 veces más que el acero. EXTRU-PAK se adapta al terreno: los tramos de su tubería son altamente flexibles y se van armando de acuerdo a la topografía permitiendo un fluido en cualquier tipo de suelo.

CONSTRUCCIÓN Problema: Fugas de agua y gas, Altos costos de excavación Solución: EXTRU-PAK es 100 % impermeable. Resulta imposible cualquier fuga. Su exclusiva unión por termofusión refuerza su infalible hermeticidad. Total resistencia a cualquier agente químico. Para instalar EXTRU-PAK no se requiere excavar hasta el centro de la tierra. Los perfiles de excavación son 60 % inferiores a los especificados por A.C. y P.V.C., por lo que reduce los presupuestos de obra terminada hasta en un 25 % INDUSTRIA EN GENERAL Problema: Diversas dificultades en tiempo, economía y seguridad. Solución: Ventajas exclusivas de EXTRU-PAK: Fácil manejo por su ligereza, 0% de fugas. No se corroe. No

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acepta incrustaciones. nulo mantenimiento. No le afectan los 170 productos químicos más comunes. Gran longevidad. Compatible con otras tuberías. Optima asesoría y capacitación al instalar EXTRU-PAK.

ANÁLISIS COMPARATIVO PESO ESPECIFICO RESISTENCIA AL IMPACTO

VENTAJAS DE CONTRUCCION PVC ASBESTO 1.040 KG/CM3 2.080 gr/cm3 85 kg/cm2 19 Kg/cm2 máximo. máximo. A un mayor Se requiere de impacto, Extremo cuidado El tubo sufrirá fracturas

EXTRU-PAK 0.958 gr/cm3 85 kg/cm2 máximo. No sufre fracturas Ni deformaciones.

ALMACENAMIENTO Debe estar bajo techo RESISTENCIA AL Al ser aplastada APLASTAMIENTO más Del 60 % de su diámetro Se afectan sus propiedades

Puede estar a la intemperie. Al ser aplastadas más del 3% de su diámetro se deforma.

ACCESIBILIDAD DEL PRODUCTO INSTALACIÓN

Fábrica y distribuidores

Puede estar a la intemperie. Al ser aplastadas al 100% de su diámetro se recupera normalmente, sin afectar sus propiedades físicas. Fábrica y distribuidores

Mucha mano de obra para excavación.

Muy poca mano de obra para excavación.

Maniobras de tendido de zanja necesarias.

Sin maniobras de tendido de zanja

Fábrica, distribuidores Y ferreterías Poco mano de obra para excavación. Maniobras de tendido de zanja necesarias. Junteo de zanja. Plantilla necesaria. Relleno material de banco necesario. Atraque necesario. Compactado total.

Junteo de zanja. Plantilla necesaria Relleno material de banco necesario.

Sin junteo de zanja. Sin plantilla (opcional) Sin relleno material de banco.

Atraque necesario. Sin atraque (opcional) Compactado total. Compactado total.

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LINEA DE PRODUCTOS      

Tubería de Polietileno 3408 de ½” a 36” Tubería de Polipropileno PP1208. Tipo I y II de ½” a 14” Tubería de Gas 2306 y 2406 de ½” a 8” Tubería de Riego Tubería para conducción de fibra óptica. Productos Agropecuarios Bauku.

SERVICIO TÉCNICO a) Accesoria hidráulica b) Instalación de Tubería PRODUCCIÓN DE CALIDAD Estos productos cuentan con los estándares mundiales y nacionales de ISO-9002, ASTM, AWWA, ISO 161/1, IMTA.

Todo un sistema para conducción de fluidos a presión; a toda prueba

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Extrupak es un revolucionario sistema de conducción que permite obtener increíbles ventajas tanto en su manejo e instalación como en las propiedades físicas y químicas que lo conforman. Esto lo hace superior a cualquier sistema convencional y lo garantiza por un largo tiempo. El sistema fue creado en Alemania de donde se expandió a los Estados Unidos y más tarde fue introducido a México con gran éxito por Extrumex, S.A de C.V., siendo ésta una empresa del Grupo Protexa.

Gran Parte de las ventajas de EXTRU-PAK conducen hacia ahorros considerables en la construcción e instalación. Al tener un sistema que se instala con mayor rapidez y que a su vez requiere de menos esfuerzo y materiales de construcción, lógicamente obliga a que los gastos del equipo y la mano de obra mucho menores, que igual a otros tantos insumos se vuelven innecesarios.

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Figura3.1.3.g.- Tubería de Extru-pak en línea de conducción.

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TUBERÍA DE FIBROCEMENTO CLASE “A” DIÁMETROS DE 100 A 2000 MM Tubería para conducción de abastecimiento de agua a presión PRINCIPALES VENTAJAS •

LARGA VIDA DE SERVICIO

Se tienen en la República Mexicana tuberías de fibrocemento de más de 50 años de operación en perfectas condiciones. •

RESISTENTE A LA PRESION HIDRAULICA INTERNA

El método de curado natural de inmersión de agua en depósitos debidamente controlados y el uso de cemento Portland Tipo 11< resistente a los sulfatos ), permiten obtener gran resistencia mecánica, garantizando ampliamente los valores exigidos por la Norma NMX-C12 vigente, lo cual queda indicado en la tabla 2.

Para la prueba de campo, ver tabla 1.

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PRESION DE PRUEBA EN OBRA TABLA 1

1 A 2 HORAS

CLASE

K /cm 2

Lb/pul

7.5

107

10.5

150

15.0

214

21.0

300

30.0

428

•

RESISTENTE A LA CORROSION Garantizadas por la alta calidad de sus materiales y la estrecha supervisión en el proceso de fabricación.

•

MINIMO MANTENIMIENTO El empleo de la tubería Eureka ha mostrado en la práctica que requiere un mínimo costo de mantenimiento.

•

INMUNE A LA ELECTROLISIS No siendo metálica, la tubería de fibrocemento es inmune a los efectos destructivos de los fenómenos electrolíticos.

•

MENOR COSTO TOTAL Comparativamente, el costo de suministro, más el de instalación, más el de conservación de la tubería Eureka, resulta ser menor que el de otras.

•

FLUJO CONSTANTE La superficie interior de los tubos Eureka es tersa. El coeficiente de rugosidad para la fórmula de Manning es de n = 0.01 0; y para la fórmula Hazen Williams, C = 140.

•

FACIL INSTALACIÓN Su poco peso y su sistema de acoplamiento, no hace necesario el empleo de equipo especial para su instalación; la cual se hace rápidamente con el trabajo de pocos operarios. Las tomas domiciliarias se conectan directamente a los tubos, o bien, por medio de abrazaderas metálicas. TABLA 2 Resistencia a la presión hidrostática interna NORMA NMX- C-12-94

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CARACTERÍSTICAS GENERALES DE TUBERÍAS QUE UTILIZAN EN OBRAS DE AGUA POTABLE. TIPO DE TUBERÍA Y NORMAS

DIÁMETRO NOMINAL EN MM.

ASBESTO CEMENTO

50,60,75,100,150,20 0, 250,300,350,400,45 0,500,600, Y 750.

DGN C – 12 – 1960

LONGITUD DEL TUBO EN M. 4Y5

CLASE DE TUBERÍA Y PRESION DE TRABAJO. A – 5, A – 7, A – 10, Y A – 14 que corresponden respectivamente a 5, 7, 10, y 14 Kg / cm2.

ABASTECIMIENTO DE

PRESION DE PRUEBA EN FABRICA Y EN OBRA. KG./CM2 En fabrica, 3.5 veces la de trabajo. En obra 1.5 veces.

FABRICANTES

Asbestos DE México S.A. Productos Mexalit, S.A. Asbestos Monterrey S.A. Tubería, S.A. Monterrey, N.L.

ACERO a) Lisa soldada 4.88 A 7 DGN 8 – 184 – 1973 API, ASTM – 120 – 53 b)

Sin costura

DGN. 8 – 177 – 1973 API, ASTM – 120.

114.3,168.3,219.1,2 73, 323.8 , 355.6 , 406.4 , 457.3 , 508 , 558.8 , 609.6 , 660.4 , 711.2 , 812.8 , 863.6 , 914.4 , 1067 Y 1219. 5a7 7 a 12

c) Galvanizada DGN8.10 Tipo A ASTM - 120

42.2 o aun mas de 4572 terminados en caliente. Estirados en frío de 5 hasta el más indicado en norma.

CONCRETO a) Tipo Comecop Pretensado (Ptes. Francesas)

, , , ,

En fabrica de acuerdo con su espesor y diámetro.

Grado B, x – 42 , x – 52 , x – 56 , x – 60 y x – 65.1265 , 1476 , 1772, 1940, 2193, 2362 , 2531 y 2742 (presión de diseño) En fabrica a 100 kg/ cm2. En obra 2.0 veces la de trabajo.

Se puede probar según exigencias proyectos. En obra 1.25 veces la presión de trabajo.

4,6,8,10,12,14,16,1 8, 20 y 22 kg / cm2 Se prueba en fabrica a 1.10 a 1.25 la de trabajo. En obra, 1.10 la de trabajo.

Tipo Lock Joini

I – Reforzado

Aceros Alfa Monterrey, S.A.

Cedula 40

9.53 , 12.7 , 25.4 , 31.8 , 50.8 , 63.5 , 101.6 ,

Tubos de acero de México , S.A. (TAMSA). Veracruz, ver.

Compañía Mexicana de Tubos S.A..

6.4

6.35 19.1 38.1 76.2

Grado B, x – 42 y x – 52 que corresponden a presiones de diseño de 1476, 1722 y 2193 kg/cm 2, respectivamente.

En fabrica de acuerdo con su espesor y diámetro según norma. En campo hasta 85% de la anterior.

Compañía Mexicana de concreto pretensado, S.A. de C.V (COMECOP).

Ingeniería y construcciones Hidráulicas, S.A.

750, 900, 1000 , 1100 , 1200 , 1300 , 1400 , 1500 , 1600 , 1700 , 1800 , 1900 ,

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Pedro Rodríguez Ruiz SP – 1 Y 16, AWWA – C302

Abastecimiento de Agua 2000 , 2100 , (serie normal y reforzada). 4.88

De 18.3 , a 36.6 , m.c.a

2 – Ref. con cilindro SP – 3, awwa – C300

3- Presforzado con ó sin cilindro SP – 23,28 Y 31. SP – 5 Y 12, AWWA – C301

Con cilindro, 1406 – 1757 kg/cm2 en fabrica. Sin cilindro, 1.5 veces la de trabajo.

406.4 , 457.2 , 508 , 609.6 , 685.8 , 762 , 838.2 , 914.4 , 1066.8 , 1219.2 , 1371.6 , 2133.6 , 2286 , 2438.4 , 2590.8 , 2743.2 , 2895.6 , 3048 , 3200.4 , 3352.8 , 3505.2 , 3657.6

De 22.5 (diam. 24”), 19.7 (27”), 17.6 (30” a 42 “) kg / cm 2 de la S.P - 23.

C) Tipo Racta Presforzado

En fabrica 1.5 la de trabajo durante 3 min mínimo, para líneas de bombeo y 125 veces para líneas a gravedad

Los reyes, La paz, Edo de Mex. En fabrica presión mínima revenimiento, 3 veces la de trabajo. En obra 1.5 veces la de trabajo.

(Pie australiano)

5 PVC (Policloruro de vinilo)

Constructora General del Norte S.A.

COTSA - Plasto técnica, S.A. - Plásticos Omega, S.A. - Plásticos y conexiones, S.A. - Asbesto de México S.A. - Mexalit de Occidente, ,S.A. - Plásticos Rex. S.A.

6,19,12,15 Y 18 Atms., para diam. De 635 a 900; 6,9, y 12, para diams. De 1000 a 1800.

DGN – 12 – 1968

635 , 700 , 800 , 900 , 1000 , 1100 , 1200 , 1350 , 1500 , y 1800.

RD – 26, RD – 32.5, RD – 41 Y RD –64; 11.2,9,7 Y 4.5 kg/cm2. 25, 38 50, 60, 75 , 90, 100 , 125 , 150 , y 200.

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Tuberías para obras de abastecimiento de agua potable, factores por considerar para la selección de tuberías. a) Para seleccionar el tubo de tubería por usar en las obras de conducción y distribución de agua potable, se debe tomar en cuenta fundamentalmente el obtener la mejor solución posible de ingeniería, que dependerá de la calidad del estudio, de la planeación de las obras y del proyecto que se realice. b) Las tuberías que se utilizan en los sistemas de aprovisionamiento de agua potable, en las obras de conducción y distribución, tienen un costo de suministro del orden de 40 al 50 % del costo total de las obras del sistema, de acuerdo con esto se comprende la importancia de elegir correctamente el material y características de esos conductos en los proyectos. Para seleccionar las tuberías mas convenientes por utilizar se deben tomar en cuenta los siguientes factores: 1) Calidad del agua por conducir.- El agua por suministrar debe ser potable, en caso que no lo sea, el ingeniero debe poner especial atención principalmente a dos aspectos: Los contenidos de fierro y manganeso, minerales que causan más inconvenientes en la tubería. 2) Características topográficas de la conducción y zona de distribución. 3) Características del terreno por excavar. 4) Gasto por conducir y distribuir en general, para obras nuevas de abastecimiento, la capacidad de la línea de conducción se obtiene con el gasto máximo diario y la red de distribución se diseña con el gasto máximo horario. 5) Coeficientes de rugosidad por considerar. Se deberá tomar en cuenta los valores que se dan en las normas Mexicanas para obras de agua potable. 6) Costo de la tubería (material) y de su instalación, fletes y tiempos de entrega. 7) Diámetros disponibles en el mercado y clases. 8) Factibilidad de manejo e instalación: Las tuberías flexibles, principalmente las de material plástico, permite, por su ligereza, transportarse fácilmente en localidades y zonas de difícil acceso. 9) Características de resistencia mecánica ( presión hidráulica, aplastamiento, flexión, impacto, etc.). El ingeniero proyectista debe conocer y estudiar las normas de fabricación vigentes, los métodos de prueba, normas de uso y especificaciones de construcción a fin de comparar calidades de las tuberías por usar. 10) Resistencia a los efectos de erosión. 11) Resistencia a los efectos de corrosión, el uso de tuberías de acero obligada a su protección anticorrosiva ( interior y exterior ) y la protección catódica. 12) Características de las juntas por usar y facilidad de unión. Las uniones flexibles con juntas de hule son las mas recomendables. 13) Características disponibles y costos de piezas especiales. Analizando los factores anteriormente mencionados, se puede concluir que no existe en el mercado una tubería que cumpla con todos los requisitos o condiciones que se requieren satisfacer en los proyectos de conducción y redes de distribución. El ingeniero proyectista

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deberá estudiar con todo cuidado los datos que se obtienen en el estudio, principalmente los relativos a: fuentes de abastecimiento por utilizar con sus respectivos análisis físicoquímicos del agua y aforos; levantamientos topográficos de la conducción, incluyendo datos de geotecnia ( clase de terreno por excavar ). Respecto a la red de distribución, el proyectista debe tomar en cuenta que un buen diseño consiste en la adecuada localización de las tuberías principales y secundarias, así como la acertada elección de sus diámetros con el objeto de lograr un suministro adecuado, con presiones requeridas en todas las zonas por abastecer y , fundamentalmente, el costo más bajo posible. En resumen: la elección de la tubería deberá ser el resultado de un cuidadoso análisis de los factores enunciados y sus observaciones. Las especificaciones de estas tuberías están referidas a temperatura de 23 °C, puede usarse en medios con temperatura ambiente de -15 °C a 50 °C; sufre un a expansión térmica de 0.004 m/100 m/°C lo que obliga a dejarle serpenteando y no totalmente recto en la zanjas de alojamiento.

Tuberías de obras de abastecimiento de agua potable con incrustaciones provocadas por aguas procedentes de manantiales. De izquierda a derecha se muestran; PVC, diámetro de 75 mm; con

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1.5 años de uso; asbesto cemento, de 75 mm, de diámetro con 3 años de uso; acero diámetro de 100 mm con más o menos de 6 años de uso.

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3.1.3.- METODO GRÁFICO PARA LA DETERMINACIÓN ECONÓMICOS EN CONDUCCIÓN POR GRAVEDAD.

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LOS

DIÁMETROS

Dado que por lo general se manejaran en este tipo de proyectos, diámetros pequeños, se sugieren que el análisis del diámetro se lleve a cabo mediante un planteamiento grafico donde primeramente se determinara el diámetro teórico probable y este diámetro se transforma a diámetro comercial, y con este se procederá a calcular la perdida por fricción la cual se verificara mediante un planteamiento gráfico que se resume en lo siguiente : 1) Sobre el plano topográfico, del perfil de la línea de conducción. Se traza una longitud cualquiera, un polígono que represente la pérdida de carga por fricción para diferentes diámetros ( a criterios del proyectista ) apoyado en la escala horizontal y vertical en que esté dibujado el propio perfil. 2) Con un juego de escuadras, se llevan paralelas a los pendientes de los gradientes hidráulicos resultantes, hasta el perfil, de tal manera que se adopte aquel o aquellos que se juzgue, siguiendo aproximadamente la pendiente topográfica del terreno natural ( figura 3.1.4).

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( Figura 3.1.4.).- Método grafico para determinar el diámetro económico por gravedad

Finalmente se obtienen las clases de tuberías según las presiones de trabajo calculadas, enseguida se procede a localizar las válvulas de expulsión de aire, desagües y se diseñan los cruceros. Cuando las conducciones son muy largas y con desniveles topográficos grandes, es recomendable construir cajas rompedoras de presión, con lo cual se consigue romper la energía cinética del agua, de esta manera se elimina el exceso de presión y entonces se logra un mejor funcionamiento hidráulico de la línea Fig. 3.1.4.a y b

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(fig. 3.1.4.a ).- Conducción por gravedad trabajando a presión con cajas rompedoras de presión. Las acumulaciones de aire en los puntos más altos del perfil y próximos a la línea piezometrica pueden afectar la circulación del agua, para evitar esto, se debe instalar válvulas expulsoras de aire, las cuales se instalaran en las partes más altas de la línea de conducción( figura 3.1.3.c)

( Figura 3.1.4.b.).- Puntos donde se deberán instalar las válvulas expulsoras de aire. Los desagües se colocaran en las partes más bajas de la línea con el fin de limpiar la misma.

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(Figura 3.1.3.d).- Perfil de una línea de conducción por gravedad, donde se aprecia la colocación de los desagües.

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EJEMPLOS DE DISEÑO DE UNA LINEAS DE CONDUCCIÓN POR GRAVEDAD. Ejemplo N° 1.- Diseñar el diámetro económico de la línea de conducción por gravedad, con los datos siguientes:

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DATOS: L = 3000 m Q = 120 l.p.s Tubería propuesta; Asbesto Cemento ( AC) n = 0.010 ( coeficiente de rugosidad de manning de tablas ) Calculo del diámetro teórico D = ( 3.21 Qn / S1/2 )3/8 La pendiente hidráulica:

S = Ht / L = ( 2500 – 2470 ) = 0.01 3000

D = ( 3.21 0.12 x 0.010 )0.375 = 0.295 m = 11 ½” (0.01)0.5 Diámetro Teórico = 11 ½ Pulgadas. Que agota todo el desnivel topográfico disponible de 30.0 m. En el mercado no existe este diámetro; Por lo tanto tomaremos un diámetro comercial inmediato superior que es de ( 12” ) desperdiciamos la capacidad del tubo, puesto que podemos conducir mayor gasto, pero se encarece el proyecto. Si tomamos un diámetro comercial inferior (10”) se disminuye el costo de la obra, pero el tubo no tiene la capacidad para llevar el gasto requerido, a menos que se cambie la posición del tanque para poder darle una pendiente hidráulica menor ; pero como esta planteado el problema, el tubo de 10” tampoco lo resuelve. Para ello hacemos una combinación de los diámetros comerciales en medida superior e inferior. Tomaron tubería de asbesto cemento de 304 mm (12 “) y diámetro y 25.4 mm. (10” ).

Determinación de los valores de K y de las longitudes. El valor de k lo podemos determinar con la formula K = 10.3 n2

D16/3

Por tablas: n = 0.010 K1 = K12” = 0.58350

bien por la (TABLA 3.1.2 ) D = 12 “ (305 mm )

K2 = K10” = 1.54

Por formula = K12” =10.3 (0.010)2 (0.305)16/3 K2 = K10” = 10.3 (0.010)2 (0.254)16/3

= 10.3 0.0001 = 0.5796 = 0.5800 0.001777

= 10.3

0.0001 0.0006698

= 1.54

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Calculo de la longitud L1 y L2, considerando que L1 = L12” y L2 = L10” L1 = L12” = H – K2LQ2 = 30 – (1.54 X 3000 X (O.12)2) = 30 – 66-53 = 36.53 = 2 2 Q (k1 – k2) (0.12) (0.5835 – 1.54) 0.013774 0.013774 L1 = L12” = 2652 m. L2 = L10” = H – K1LQ2 = 30 – (0.5835 x 3000 x (O.12)2) = 30 – 25.21 Q2 (k2 – k1) (0.12)2 (1.54 – 0.5835) 0.013774

= 4.29 = 0.013774

L2 = L10” = 348 m. Se requieren :

2652 m de tubería de 12” (305 mm) y 348 m de tubería de 10” (254 mm)

TOTAL

3000 m.

Para determinar el curso de la línea piezometrica, calculamos las pérdidas por fricción por cada tramo de tubería, con los respectivos diámetros. Hf12 = K12 L12Q2 = (0.5835)(2652)( 0.12)2 = 22.28 m Hf10” = K10 L10Q2 = (1.54)(348)(0.12)2 =

7.72 m 30.00 m.

En la (Figura 3.1.5.a.), se puede apreciar el trazo de la línea piezometrica en base a las perdidas de carga por fricción determinados. Las pendientes hidráulicas serán: S12 = perdida de carga = 22.28 = 0.0084 Longitud 2652 S10 = pérdida de carga Longitud

= 7.72 348

= 0.02218

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Figura 3.1.5.a- trazo de la línea piezométrica con los diámetros económicos determinados.

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Ejemplo 2.- Diseñar la línea de conducción por gravedad con los datos siguientes. Datos: H = 211.77 m. Q = 4.75 l.p.s. L = 544.4 m.

 3.2Qn 

D =  1/ n   s 

s

 3.2(0.000475)(0.01)  D =  (0.3889)1/ 2  

3/ 8

= 0.044 m = 1.74” = 2”

Utilizando A.C. Ф = 2” A.C.Ф2 = K1= 8046.88;

H 211.77   0.3889 L 544.5

Y y

utilizando Fo.Go. Ф = 1 ½” tenemos Fo.Go. Ф = 1 ½” ,

K2 = 75935.89

H - K1.L.Q 2 211.77 - 8046.88544.40.00475 L1 = 2 = = 73.71 m Q K 2  K1  0.004752 75999.85 - 8046.88 2

L2 = Lt _ L1 = 544.40 _ 73.71 = 470.79 m Cálculo de las pérdidas por fricción:

Hf1 = K1.L1.Q2 = 8046.88470.790.00475 = 85.48 m. 2

Hf2 = K1.L1.Q2 = 75935.85 73.710.00475 = 126.29 m. 2

S1 =

Hf1 85.48 = = 0.1815 L1 470.79

S2 =

Hf2 126.29 = = 1.7133 L2 73.71

V1 =

Q 0.00475 = = 2.42 mts/seg A 0.7850.052

. V2 =

Q 0.00475 = = 4.18 mts/seg. A 0.7850.0382

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Figura 3.1.5.b.-Proyecto definitivo de la línea de conducción por gravedad del ejemplo núm. 2

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Ejemplo 3.- Diseñar la línea de conducción por gravedad con los datos siguientes. Datos: Q máx. diario = 40 l.p.s. Longitud = 4680 m. H = 145 m. Calculo del diámetro teórico.

D = 1.2 Q D = 1.2 40 = 7.6 " Se tomaran los diámetros comerciales de 8” y 6” de Asbesto – Cemento Calculo de las longitudes K K

8” 6”

= 5.07 = 23.79

H - K .L.Q 2 145 - 23.794680 0.04  L1 = 2 2 = = 1106 m. Q K1 - K 2  0.042 5.07  23.79 2

H - K .L.Q 2 145 - 5.074680 0.04  L2 = 2 1 = = 3574 m. Q K 2 - K1  0.042 23.79 - 5.07  2

Calculo De las perdidas de fricción

Hf8" = K.L.Q2 = 5.0711060.04

= 9.00 m.

Hf6" = K.L.Q2 = 23.79 35740.04

= 136.0 m.

Calculo de las pendientes

S1 =

H f 9.00 = = 0.00813 L1 1106

S2 =

Hf 136.0 = = 0.0381 L 2 3574.0

Calculo de las velocidades

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V1 =

Q 0.040 = = 1.234 mts./seg. A 0.7850.20352

V2 =

Q 0.04 = = 2.194 mts./seg. A 0.7850.1524 2

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Figura 3.1.5.c.- Proyecto definitivo de la línea de conducción por gravedad ejemplo 3

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TABLA 3.1.2. VALORES DE LA CONSTANTE DE MANNING “ K “ Para determinar las pérdidas de carga por fricción en la formula de Manning. H = KLQ2. PVC

A.C.

ACERO

Fo.Fo.

Fo.Go.

Concreto simple

Concreto áspero

n = 0.009

n = 0.010

n = 0.011

n = 0.013

n = 0.014

n = 0.012

n= 0.016

Diámetro Pulg.

1/2

0.013

9,553,264.6

11,798,396.3

1,4318442.15

19931217.48

2,3138602.52

16,953,035.5

30240549.

3/4

0.019

1,261724.66

1,558245.06

1,891074.13

2,632375.19

3,055,975.79

2,239,031.77

3,993948.5

0.025

292,631.58

361,403.51

438,596.49

610,529.82

708,771.93

519,298.25

926,315.7

1 1/4

0.032

77,943.93

96,261.68

116,822.43

162,616.82

188,785.05

138,317.76

246,728.9

1 1/2

0.038

31,353.38

38,721.80

46,992.48

65,413.53

15,781.25

55,639.10

99,248.12

0.051

6,515.63

8,046.88

9,765.63

13,593.75

4,708.62

11,562.5

20,625.00

2 1/2

0.064

1,944.06

2,400.93

2,913.75

4,055.94

1,887.85

3,449.88

6,153.85

0.076

779.44

962.62

1,168.22

1,626.17

391.47

1,383.18

2,467.29

0.102

161.63

199.61

242.25

337.21

121.69

286.82

511.63

0.127

50.24

62.05

75.30

104.82

121.69

89.16

159.04

0.152

19.26

23.79

28.87

40.18

46.65

34.18

60.97

0.203

4.11

5.07

6.16

8.57

9.95

7.29

13.00

0.254

1.24

1.54

1.87

2.60

3.01

2.21

3.94

0.305

0.46854

0.58262

0.70225

0.97753

0.1.15

0.83146

1.48

0.356

0.20593

0.25432

0.30864

0.42963

0.49877

0.36543

0.65185

0.406

0.10208

0.12610

0.15300

0.21297

0.24725

0.18115

0.32313

0.457

0.05416

0.06688

0.08123

0.11299

0.13117

0.09610

0.17143

0.508

0.03088

0.03815

0.04630

0.06444

0.07481

0.05481

0.09778

0.610

0.01165

0.01439

0.01746

0.02430

0.02821

0.02067

0.03687

0.762

0.00355

0.00439

0.00533

0.00742

0.00861

0.00631

0.01125

0.914

0.00135

0.00166

0.00202

0.00281

0.00326

0.00239

0.00426

1.067

0.00059

0.00073

0.00088

0.00123

0.00143

0.00105

0.00187

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1.219

0.00029

0.00036

0.00043

0.00061

0.00070

0.00051

0.00092

1.372

0.00015

0.00019

0.00023

0.00032

0.00037

0.00027

0.00049

3.1.4 ACCESORIOS Y PIEZAS ESPECIALES 3.1.4.1. Dispositivos de alivio Un sistema hidráulico puede diseñarse con un factor de seguridad muy grande parar soportar las cargas máximas y mínimas debidas al golpe de ariete. Sin embargo, para un diseño óptimo de un sistema deberá tomarse en cuenta la instalación de uno o varios dispositivos de alivio. Los diferentes tipos de válvulas se describen a continuación. a ) Juntas Las juntas se utilizan para unir dos tuberías; las de metal pueden ser de varios tipos, por ejemplo, Giubault, Dresser, etc.

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b) Carretes Los carretes son tubos de pequeña longitud que se colocan sobre alguna por medio de una brida en uno de sus extremos. Se fabrican en longitudes de 40, 50 y 75 cm. Para materiales de PVC, las extremidades pueden ser campana o espiga.

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c) Extremidades Las extremidades son tubos de pequeña longitud que se colocan sobre alguna descarga por medio de una brida en unos de sus extremos. Se fabrican en longitudes de 40, 50, y 75 cm. Para materiales de PVC, las extremidades pueden ser campana o espiga.

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d) Tes Las tes se utilizan para unir tres conductos, donde las tres uniones pueden ser del mismo diámetro, o dos de igual diámetro y uno menor. En el segundo caso se llama te reducción.

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e) Cruces Las cruces se utilizan para unir cuatro productos, donde las cuatro uniones pueden ser del mismo diámetro, o dos mayores de igual diámetro y dos menores de igual diámetro. En el segundo se llama cruz reducción.

TEE y Cruz de fierro fundido f) Codos

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los codos tienen la función de unir conductos del mismo diámetro en un cambio de dirección ya sea horizontal o vertical. Los conductos pueden tener deflexiones de 22.5, 45 y 90 grados.

Codo de fierro fundido

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g) Reducciones Las reducciones se emplean para unir dos tubos de diferente diámetro.

Reducción de fierro fundido

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h) Coples. Los coples son pequeños tramos de tubo de PVC o de fibrocemento que se utilizan para unir las espigas de dos conductos del mismo diámetro. Los coples pueden ser también de reparación, los cuales pueden deslizar libremente sobre el tubo para facilitar la unión de los tubos en el caso de una reparación.

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Tapones y Tapas Los tapones y tapas se colocan en los extremos de un conducto con la función de evitar la salida de flujo. 3.1.4.2. Válvulas de no retorno (“check”) La válvula de no retorno, sirve para evitar la inversión de flujo en un conducto. En general, debe ser instalada en la tubería de descarga de los equipos de bombeo. Este tipo de válvula cierra normalmente de forma instantánea al presentase la inversión del flujo.

Fig. 3.6 Dibujo esquemático de una válvula de no retorno (check) 3.1.4.3. Válvulas de seguridad Esta válvula sirve para disminuir el incremento de presión asociado al golpe de ariete en el sistema. Al aumentar la presión dentro del conducto se general un fuerza tal que se supera la resistencia del resorte, la válvula abre totalmente en forma instantánea. Estas válvulas operan totalmente abiertas o totalmente cerradas.

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Fig. 3.7 Dibujo esquemático de una válvula de seguridad 3.1.4.4. Válvula aliviadora de presión o supresora de oscilaciones. Estas válvulas tienen un funcionamiento amortiguador de la sobrepresión provocada por el Golpe del ariete. Cuando la presión aumenta dentro del conducto produce fuerza F2 que abre la válvula (2) al vencer la resistencia del resorte, dando lugar a que circule el flujo a través de ella hacia la descarga y disminución de presión en la cámara (3) y la generación de una fuerza F1 en la válvula principal haciendo de esta manera que se inicie la apertura. Como consecuencia del volumen descargando por la válvula provoca la disminución de presión del conducto por lo que la válvula (2) cierra y se establece un nuevo equilibrio que inicia el cierra de la válvula.

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Fig. 3.8 Dibujo esquemático de una válvula aliviadora de presión 3.1.4. Válvulas de Admisión y Expulsión de Aire Este tipo de válvulas funcionan admitiendo aire cuando por causa del golpe de ariete la presión de la sección donde está situada la válvula desciende por debajo de un límite prescrito. Expulsa aire en el llenado de la línea ( los efectos dentro de las tuberías se verán más adelante). 3.1.5. Instalación adecuada de las válvulas

Fig. 3.9 Ubicación de las válvulas para prevenir el golpe de ariete. 3.1.5.5.

El aire y el vacío dentro de las tuberías

Dos de los fenómenos menos considerados en el diseño de sistema de conducción y distribución de agua es el aire atrapado dentro de la tubería y el vacío. Muchos problemas de mal funcionamiento de las líneas se deben a esta causa. Las líneas deben ser bien ventiladas para que su funcionamiento sea óptimo. Cuando una línea de conducción es vaciada accidentalmente por una fuga a para realizar algún mantenimiento, se requiere el ingreso de aire a la tubería con el objeto de evitar el vacío y por consecuencia el colapso o aplastamiento del tubo. En el diseño de sistemas de conducción de agua, siempre considere la instalación de accesorios para el control del aire dentro de las tuberías. El costo de accesorios de control de aire presenta un mínimo porcentaje respecto al costo total de la conducción. Cuando no tiene accesorio de control en los sistemas de conducción, el aire atrapado, llega a Obstruir el flujo del agua reduciendo hasta un 10% o más debido a las bolsas de aire formadas

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en las partes altas de la tubería. En este apartado se explican estos problemas y posibles soluciones . 3.1.4.8.Explicación del fenómeno Cuando se tiene una línea nueva el aire es atrapado durante el llenado en puntos altos; en líneas funcionando regularmente, el aire disuelto en el agua se libera al haber cambios de presiones debidos a cambios en la velocidad del flujo. La literatura señala que a 20 ºC a presión atmosférica , el contenido en el aire es de 20 litros por m3, la solubilidad del aire en el agua está regida por la presión y la temperatura. En circunstancias ordinarias el agua contiene más del 2% del aire disuelto del volumen y a veces aún más. El origen del aire en las tuberías se debe a lo siguiente: 

“Cuando la bomba se pone en marcha, el aire es comprimido desde la bomba hacia la red”



“El bombeo mismo puede causar una acción vortex en puntos de aspiración. Esto dará como resultado una aspiración de aire que se introducirá al sistema pudiendo alcanzar hasta un 15% del volumen del agua bombeada.”



“Cuando ocurre un asalto hidráulico durante la transición de parcialmente lleno a sección totalmente llena”

sección con caudal

Problemas relacionados al de aire en las tuberías. a) Disminución del flujo: Al tener el aire dentro de las tuberías se formaran bolsas de aire en los puntos de variación de la pendiente. Cuando se tiene equipos de bombeo, se requerirá una mayor presión con menor eficacia de la bomba. En los conductos de gravedad, debido a que no existe presión para empujar el aire, se tendrán mayores problemas teniéndose en ocasiones cese de flujo.( ver figura 3.10 y 3.11)

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Fig.3.10 Cese del flujo debido a bolsas de aire en una tubería a presión

Fig. 3.11 Cese del flujo debido a bolsas de aire en una tubería a baja presión (gravedad) b) Cavitación: Dentro de la tubería, al reducirse la sección, aumenta la velocidad teniéndose una Caída local de presión y formación de burbujas de vapor; las cuales se colapsan cuando las condiciones de flujo vuelven a ser normales, provocando la erosión. La acción destructiva de la cavitación puede ser evitada suministrando aire a la tubería. c) Exactitud de medidas y contadores: La presencia del aire en el agua provoca un error en los medidores de flujo, ya que muchos medidores se basan en la velocidad del flujo. La velocidad del aire, a igualdad de presión y temperatura, es 29 veces superior a la del agua.

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Evacuando el aire en las proximidades de los medidores de garantiza la exactitud de las medidas. 3.1.4.9. Accesorios para prevenir y controlar el aire y el vacío en las tuberías. Existen varias clasificaciones de las válvulas para controlar el aire, algunas se basan en el tamaño del orificio por lo que se clasifican como: válvulas de orificio grande. La siguiente clasificación se basa principalmente en el funcionamiento de las válvulas. Válvulas eliminadoras de aire o automáticas: Las cuales funcionan en los sistemas presurizados expulsando el aire que se libera en el agua al hacer cambios de presión en la tubería por cambios topográficos.

Fig. 3.12 Válvula eliminadora de aire.

Válvula de admisión y expulsión de aire: Las cuales funcionan para evacuar el aire durante el llenado de la tuberías para admitir aire en el vaciado, sea accidental o intercambiado ( figura 3.13 )

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Fig. 3.13. Válvula de admisión y expulsión de aire. Válvulas combinadas o de doble propósito: Los cuales combinan el funcionamiento de los dos tipos anteriores, por un lado admiten y expulsan el aire, en el llenado y el vaciado de la tubería y por otro evacuan el aire que se libera del agua.( figura 3.14).

Fig. 3.14 Válvula combinada o de doble propósito

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Cálculo del diámetro mínimo de las válvulas. La selección del diámetro de las válvulas para el control de aire se hace mediante las gráficas del funcionamiento de las válvulas publicadas regularmente por los fabricantes, en las cuales se entra con una presión diferencial ( máximo 5 PSI, - 0.35 kg/cm2 ) y el caudal del aire. También existen reglas de cálculo, entrando con el gasto de tubería ( o con la pendiente y el diámetro del conducto) se obtiene el diámetro necesario de válvula. Selección de válvulas de Admisión y Expulsión de Aire La referencia recomienda para seleccionar el diámetro de válvulas de admisión y expulsión de aire lo siguiente: 1. “ Para determinar el diámetro mínimo permisible de la válvula capaz de expulsar aire en pies cúbicos por segundo (PCS) no debe exceder la presión diferencial de 0.14 kg/cm2 (2 PSI)”. 2. “ El diámetro mínimo permisible de la válvula capaz de admitir aire en PCS se determinara tolerando una presión diferencial máxima de 0.35 kg/cm2 (PSI) a través del oficio de la válvula.” “En tramos de tubería operada por gravedad, donde dependiente sea mas pronunciada la velocidad del agua aumentará considerablemente. En tal caso el flujo equivalente será mayor y puede calcularse por medio de la fórmula siguiente:

Flujo en PCS = 0.086592

PD 5

Donde: PSC = pies cúbicos por segundo P =Pendiente (m/m) D = Diámetro de tubería (pulgadas). 3.- Los diámetro se obtiene entrando a las gráficas de funcionamiento proporcionadas por los fabricantes para las presiones diferencias de 0.14 y 0.35 kg/cm2 (2 y 5 PSI) para expulsar y admitir aire respectivamente. Se seleccionará la válvula que dé el diámetro mayor de las dos. La cual se instalará en los puntos altos de la tubería.  Selección de Válvulas Eliminatorias de Aire No existen métodos para la selección del diámetro de este tipo de válvulas, todas las Recomendables están basadas en la experiencia, sin embargo como la cantidad del aire disuelto en el aire que se libera dependen directamente de la presión y temperatura del conducto, se da a continuación una guía aproximada para seleccionar la válvula según el tamaño del orificio necesario para eliminar el aire.

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Cuadro 6.13 Guía para seleccionar la válvula eliminadora de aire necesaria. Presión en PSI ( kg/cm2) 1 a 50 1 a 150 ( 0.07 a 3.5) ( 0.07 a 10.5 ) Diámetro máximo Gasto de la tubería máximo Pulg 6 10 16 48 96

mm 160 250 400 1,200 2,400

lps 50 140 330 3,150 9,500

1 a 300 ( 0.07 a 21.1 )

Diámetro Capacidad Diámetro Capacidad Diámetro Capacidad del del del orificio orificio orificio de salida de salida de salida Pug. PCM Pul. PCM Pul. PCM 3/32” 5 1/16” 6 0 0 1/8” 9 3/32” 14 1/16” 12 1/8” 9 1/8” 24 5/64” 18 5/16” 58 3/16” 54 3/32” 26 ½” 149 3/8” 220 7/32” 143

Además se recomienda instalar las válvulas en: (1) Puntos donde la tubería salga del suelo, por ejemplo la instalación de las válvulas de control. Si después de la válvula la tubería asciende, instalar una eliminatoria de aire, si Desciende y hay peligro de vaciado rápido, una válvula contaminadora. (2) En tuberías con pendiente uniforme se recomienda entre 400 y 800 m (3) En los quipos de bombeo, antes de la válvula de retención (check) se recomienda instalar Una válvula de admisión y expulsión de aire. (4) Se debe instalar una válvula combinada antes de los medidores (10 diámetros) para Evitar error en las mediciones y daños al equipo. (5) En el cruce de las carreteras, después del cruce una válvula combinada.

3.1.4.1 DISEÑO Y UBICACIÓN DE VÁLVULAS Entre otros los servicios que ofrecen las válvulas son: Regulación de flujo y presión, evitar el retroceso del flujo a través de las bombas, control del aire por medio de la admisión o eliminación, protección por sobré presiones en tuberías y bombas, y ayudar en la prevención de transitorios.

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Figura 3.16.- Válvula expulsora de aire instalada en la línea de conducción, existe una amplia

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variedad de tipos de válvulas para ser usadas con diferentes propósitos, las cuales se indican a continuación.

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Figura 3.17.- Válvula de seccionamiento tipo compuerta de vástago fijo

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Figura 3.18.- Válvula de seccionamiento tipo compuerta de vástago saliente

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3.1.4.2 PIEZAS ESPECIALES. Las conexiones de la tubería en las instalaciones, cambios de dirección, variación de diámetros, accesos a válvulas, etc., se denominan comúnmente como “piezas especiales” y pueden ser de fierro fundido, asbesto – cemento o PVC, dependiendo de que material sean los tubos. Las piezas especiales de fierro fundidos son las más empleadas y se fabrican para todos los diámetros de tuberías. Estas piezas se conectan entre sí o las válvulas por medio de bridas y tornillos y con un empaque de sellamiento intermedio, que puede ser de plomo, hule o plástico. La unión de estas piezas con las tuberías de asbesto cemento, se efectúa utilizando la “junta giubault”, que se muestra en la fig. 3.19 y que permite conectar por una de sus bocas una “extremidad” de fierro fundido y por otra una punta de tubería de asbesto cemento. El sellamiento se logra mediante la presión ejercida con las bridas y tornillos sobre barrillete y empaque de hule.

Figura 3.19.- Junta giubault

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La forma cóncava del barrilete permite efectuar deflexiones; su diámetro interior debe ser de 2 mm más grande que el de las tuberías, en medidas hasta de 200 mm (8”) y de 6 a 10 mm en las tuberías mayores. Las dimensiones de piezas especiales con brida de fierro fundido se ilustra en la ( Figura. 3.20)

Figura 3.20.- Bridas para unir piezas especiales de PVC con fierro.

Las piezas especiales de asbesto cemento se fabrican con segmentos de tubería de asbestocemento, clase A-5 y A-7 pegados con Epoxy, una resina con gran adherencia, pero cuya resistencia a los golpes es deducida. Por esta razón la producción en la fabrica se limita a conexiones para tuberías hasta de 150 mm. (6”) de diámetro, el manejo de piezas mayores es muy riesgoso pues durante el transporte se expone a golpes que pueden ocasionarles serios daños.

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Para uniones en tuberías hasta de 150 mm (6”) de diámetro y contando con operarios cuidadosos, estas piezas son de gran utilidad dada su ligereza y diseño que evita las uniones bridas y por su bajo costo.

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Figura 3.20.- Simbología de piezas especiales de asbesto – cemento.

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Figura 3.21.- Simbología de piezas especiales de PVC.

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figura 3.22. Piezas Especiales (junta giubault) instaladas en línea de conducción con tubería de asbesto cemento con su respectivo atraque de concreto armado

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Válvula espulsora de aire instalada en la línea de conducción de asbesto cemento LOCALIZACIÓN DE PIEZAS ESPECIALES. Una vez determinado el diámetro y efectuado el trazo definitivo, se procede a localizar en el perfil y planta las piezas especiales y dispositivos de la línea de conducción que correspondan. Cuando es necesario unir entre si varias tuberías, efectuar un cambio en la dirección, el diámetro o el material de la tubería se emplearan las denominadas “piezas especiales”, para equilibrar los empujes hidrostáticos en algunos casos estas piezas llevarán atraques de concreto simple. Como se verá posteriormente las tuberías empleadas en las líneas de conducción de la Republica Mexicana son las de P.V.C (policloruro de vinilo), en diámetros de 50, 60, 75 y 100 mm (2”, 2 ½”, 3”, 4”), y de A.C. (Asbesto cemento), en diámetros mayores; las piezas especiales utilizadas son fabricadas de P.V.C., para las tuberías de este material, mientras que para las tuberías de A.C., se usan piezas especiales de Fo. Fo. (Fierro Fundido), En algunos casos y a solicitud de los Ingenieros Residentes, se proyectan tuberías de A.C. para todos los diámetros requeridos de la línea de conducción , empleándose en este caso piezas especiales de Fo. Fo. únicamente. En caso de tener una topografía muy accidentada y terreno con material muy duro, se requiere instalar tubería de fierro galvanizado y se usan piezas especiales de Fo. Go. (Fierro Galvanizado). SIGNOS CONVECIONALES. Los símbolos empleados, de acuerdo con las Normas de proyectos de la Comisión Nacional del Agua, para tuberías, válvulas y piezas especiales son los siguientes:

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Junta Universal G.P.B.

Válvula Valflex

Válvula reducción Válflex

00<

Válvula de compuerta Válvula de mariposa

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Extremidad COMO DETERMINAR EL DIÁMETRO Y NÚMERO DE VÁLVULAS DE AIRE EN UNA LÍNEA DE CONDUCCIÓN. Para lograr lo anterior se hace uso de la gráfica que tiene elaborada la APCO o la STOCKHAM de México, mismas que aparecen en los anexos. Para cada punto alto de la línea de conducción debe calcularse de manera independiente la válvula de aire. El máximo valor del flujo que pueda presentarse en pies3 por segundo, se puede determinar de, la siguiente manera: a).- Si la línea está llenándose por bombeo:

C.F.S = GPM de bombeo/ 70 X 60

Como 1.00 l.p.s = 15.85 GPM ;

C.F.S = ( l.p.s) ( 15.83)/70 X60

b).- Si la línea se está llenando o vaciando por gravedad el flujo de aire será: C.F.S = 0.08666 ( SD5 )1/2

donde: S = pendiente ( en pies por pie de longitud) D =diámetro del tubo ( en pulgadas).

Para el manejo de la gráfica de la APCO se procede de la manera siguiente : Supongamos que se quiere determinar la válvula de aire que corresponde a un gasto de 350 l.p.s. en un diámetro de 24 " para un punto alto donde se permite un diferencial no mayor de 5 Lb./plg². , arriba de la carga normal de operación en este punto . Primero transformar el flujo de 350 l.p.s. a C.F.S. : C.F.S. =

350 x 15.85 = 13.2 7 x 60

Con este valor se entra a la gráfica que se encuentra en los anexos en la escala de los C.F.S. y se levanta una vertical que va cortando las curvas representativas de los diámetros de las válvulas de aire. Se toma el diámetro de la válvula cuya intersección con la vertical esté más cercana al diferencial previamente escogida. En esta caso la válvula indicada es de 2" que está a 2.7 lbs/pulgs² = 0.19 Kg/cm². EJEMPLO 2. Determinar el diámetro de la válvula de aire que conduce : 1 000 l.p.s. por un tubo de 36" . C.F.S. =

100 x 15.85 = 37.73 7 x 60

Entrando a la gráfica se encuentra una válvula de 4" con un presión diferencial de 4.9 lbs./plgs² ( 0.345 Kgs./cm².) Consideremos ahora los mismos ejemplos pero empleando la gráfica de STOCKHAM de México que se muestra en los anexos .

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En el primer caso nos da también una válvula de 2" con una presión diferencial de 2.7 lbs./plg² 0.19 kgs./cms². )

(

En el segundo caso 37.73 C.F.S. es un valor que se sabe de la gráfica, por lo tanto consideraremos dos válvulas con 500 l.p.s. para cada una, de esta manera: C.F.S = 500 X 15.85 / 7 X 60 = 18.86 Entrando en la gráfica nos da una válvula de 2" con una presión diferencial de 4.4 lb./plg². ( 0.31 kgs./*cm². ), se toman 2 válvulas. Las válvulas de admisión y expulsión de aire se deberán colocar en los puntos mas altos de la línea de conducción. Desagües.- Tiene la finalidad de drenar las tuberías a través de los puntos bajos de la línea de conducción. CAJAS ROMPEDORAS DE PRESION La función de una caja rompedora de presión es la de permitir que el caudal descargue en la atmósfera reduciendo su presión hidrostática a cero y estableciendo un nuevo nivel estático. Generalmente, las cajas rompedoras de presión se pueden construir de mampostería de cemento (con/sin válvulas de flotador) o tubo PEAD.

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Fig. 3.8 Caja romperodora de presión PEAD Tienen varias ventajas y desventajas, algunas de las cuales son las siguientes: VENTAJAS Peso ligero Se fabrican rápidamente y con toda facilidad en un taller Fácil y rápida instalación. Requiere poco espacio Proveen buena protección para que no se contamine el flujo Se hacen de materiales que son de fácil disponibilidad ( sobrante de tubo PEAD y Reducciones). DESVENTAJAS No son tan sólidas como las cajas de mampostería Es más difícil la instalación de las válvulas de control (requieren cajas externas de válvulas. Requieren alguna protección de mampostería de piedra seca. La proporción del flujo que sale de la caja rompedora de presión PEAD dependerá de la carga de agua que actúa en el tubo de salida. Esta carga estará limitada por la altura de la te de rebose del “esnorkel” que está encima de la tubería de salida. En consecuencia, la caja rompedora tendrá que estar por lo menos un metro por debajo de la te de rebose, es decir, aproximadamente 90 cm debajo del nivel del terreno.

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3.1.5. DISEÑO DE CRUCEROS. PROYECTO DE CRUCEROS. La elaboración del plano de cruceros, para una Línea de conducción, constituye una de las etapas del proyecto, que requieren más trabajo. Para la formación de este plano de cruceros se recomienda seguir los siguientes pasos: 1.- Se numeraran en el plano de la línea de conducción todos los cruceros de proyecto, es decir, todos aquellos puntos de la línea de conducción, en donde se requiere proyectar la instalación de nuevas piezas especiales y/o válvulas. 2.- En una cuadricula (generalmente de 6 x 6 cm.) se dibujará detalladamente cada crucero, con las piezas especiales requeridas (existentes o de proyecto), representadas por sus signos convencionales. 3.- Al finalizar el proyecto de los cruceros, se recomienda revisarlos, marcando con algún color, tanto en el plano de la red, como en el plano del crucero, los números de los cruceros bien proyectados. Los objetivos que se persiguen al elaborar el plano de cruceros, son:  Proporcionar al Ingeniero Constructor, una guía para la formación de los cruceros de la red.  Cuantificar las piezas especiales y válvulas, para las compras de las mismas.  Poder elaborar el presupuesto de la red, para estimar el costo que tendrá la misma. 3.1.6.- ESPECIFICACIONES PARA DISEÑO DE CANALES REVESTIDOS. Los revestimiento de los canales se realizan con la finalidad conducir el agua con mayor velocidad y proporcionar un mejor servicio en la conducción. Los canales se revisten en su mayoría de concreto hidráulico y de mampostería, las secciones transversales mas comúnmente usadas son: Trapeciales, circulares y rectangulares, respectivamente. La velocidad mínima de escurrimiento del agua es de 1.00 m/seg. Y la velocidad máxima es de 5.0 m/seg. El coeficiente de rugosidad ( n) para el concreto es 0.012, y para mampostería de 0.017 Los taludes para canales revestido de concreto es 2:1 y para mampostería 0.75 :1 Los canales revestido se diseñaran aplicando la condición de máxima eficiencia hidráulica, es decir que el radio hidráulico sea la mitad del diámetro. ( R = d/2) En la figura 6.22, se indica la sección tipo de canales revestido de concreto hidráulico.

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Figura 6.22.- Sección normal de canal revestido de concreto hidráulico.

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3.2.- DISEÑO DE UNA LINEA DE CONDUCCIÓN POR BOMBEO (UNIDAD 1V). Cuando la fuente de abastecimiento se encuentra a un nivel inferior al deposito o a la población, el agua captada se impulsa por bombeo. Cuando se llega a este caso, se elige el diámetro adecuado mediante un análisis económico . En efecto, si el diámetro es pequeño, la pérdida de carga es grande y entonces habrá que usar una bomba de carga elevada que logre vencer las pérdidas, siendo por esta razón muy elevado el costo de la impulsión. Por el contrario, si el diámetro de la tubería es grande, la pérdida de carga es pequeña y la altura a elevar el agua será menor, lo que se traducirá en menor costo de bombeo, pero con una tubería de mayor diámetro y precio. En resumen en el primer caso, la tubería es barata y el costo de bombeo es grande; en el segundo, sucede lo inverso: la tubería es costosa y el costo de bombeo es reducido. Lo que se debe procurar es que la suma de ambos costos den un costo anual mínimo. El diámetro de la tubería correspondiente a este caso se llama diámetro económico de la línea de conducción. Este costo está integrado por dos componentes: el costo anual de la mano de obra incluida la adquisición de la tubería y el costo anual del consumo de energía eléctrica.

(Fig. 3.2.a). Representación gráfica del cálculo de “diámetro económico de la línea de conducción por bombeo”

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En términos generales puede decirse que la localización de una línea de conducción debe ajustarse a los siguientes lineamientos. 1.- Evitar en lo posible las deflexiones tanto en planta como en perfil. 2.- Seguir la línea que evite la necesidad de construir puentes, túneles, tajos puentes – canales, etcétera. 3.- Tratar de que la línea se pegue al máximo a la línea piezometrica para hacer que la tubería trabaje con las menores cargas posibles, sin que esto quiera decir que se tenga que seguir una pendiente determinada que obligaría a desarrollar el trazo de la línea. 4.- Si existe una altura entre la fuente de abastecimiento y el tanque, o la población, si es bombeo directo, debe llevarse la línea a esta altura para bajar de allí por gravedad la tubería y tener el menor tramo posible por bombeo, o para trabajar a menor presión si continua por bombeo.

Para un bombeo de:

24 hrs: Q bombeo = Q máx. diario Para 20 hrs: Q bombeo = 1.20 Q máx. diario. Para 16 hrs: Q bombeo = 1.50 Q máx. diario. Para 12 hrs: Q bombeo = 2.00 Q máx. diario. Para 8 hrs: Q bombeo = 3.00 Q máx. diario.

Para 8 hrs.: Q bombeo = Q máx. d. 24 8

= 3.00 Q máx. d.

Como se ve, mientras menor es el tiempo de bombeo que se quiera emplear, mayor será el gasto por conducir. Básicamente una conducción requiere bombeo cuando la posición de la obra de captación con relación al sitio donde termina la línea se encuentra topográficamente mas bajo. Para el diseño de la tubería de conducción se deberá disponer de los planos topográficos( perfil y planta ) ( Figuras 3.9 y 3.10).

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(Fig. 3.9).- conducci贸n por bombeo

(Fig. 3.10).- Conducci贸n por bombeo y rebombeo

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3.2.1. SELECCION DEL DIÁMETROS MÁS ECONÓMICOS. El cálculo hidráulico en este caso toma en cuenta la obtención del diámetro más económico, analizando cuidadosamente el perfil de la línea y los efectos del golpe de ariete, el cual se produce por las interrupciones de la energía eléctrica o durante las operaciones de paro o puesta en marcha del equipo de bombeo. Una línea a bombeo puede descargar en un tanque o quedar unida a la rd de distribución. Los diámetros por analizar ( generalmente 3 ) para el cálculo del diámetro más económico deben satisfacer el requisito de que la velocidad que se obtenga con ellos al aplicar la ecuación de continuidad sea menor de 2.0 m/s. En toda la línea de conducción por bombeo se deberá realizar el estudio del diámetro económico. Esto es, un diámetro es económico cuando la suma de su costo o cargo anual de bombeo ( consumo de energía eléctrica o combustible ) , conocidos como costo total de bombeo para operación de 365 días; resulta menor en comparación con el que arroja cualquier otro diámetro, menor o mayor que el. Esto nos hace pensar en la necesidad de practicar dicho estudio de " diámetro económico " en tres diámetros para que cuando el intermedio cumpla con la condición estemos seguros que no habrá otro que pueda ser más económico. Para proponer los diámetros por analizar, se puede aplicar la formula de DUPUIT. Diámetro teórico = 1.2 ó 1 .5

Q max ..diario

en pulgadas

Donde : Ø = Diámetro tentativo en pulgadas. Q = Gasto de conducción, en l.p.s. 1.2 y 1.5 = Factores que se puede considerar constantes en todos los casos en virtud de los gastos que se manejan. También podemos determinar el diámetro teórico de la línea de conducción por bombeo por medio de la expresión: Diámetro =

áreahidraulica 0.785

en metro,

Para aplicar esta formula debemos suponer una velocidad inicial mínima de 1.20 m/s o bien 1.50 m/s, y aplicar la ecuación de continuidad para despejar de esta el diámetro que buscamos. Con la aplicación de esta expresión, se estará deduciendo solamente uno de los tres diámetros teóricos y para completar la tercia se deberá proponer los diámetros comerciales inmediatos inferiores y superiores respectivamente. Los cálculos se deben presentar como se indica en el anexo 2 en el que se toma en cuenta la sobrepresión por el golpe de Ariete. Se deben determinar las pérdidas de carga totales a la fricción ( hf ) y las pérdidas menores que para fines se puedan adoptar. El 5% de las perdidas por fricción.

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Anexo 2.- Formato para calcular diámetro económico línea de conducción por bombeo.

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De la sobrepresión debido al golpe de Ariete.

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Hi =

145 V 1+

K.D E.e

El 80% deberá ser absorbido por las válvulas aliviadoras de presión y el 20% restante deberá absorberlo la propia tubería de conducción, seleccionando la clase correspondiente, de manera que la presión total actuando sobre la tubería (carga normal de operación + 20% golpe de ariete ) no sobrepase a la presión de trabajo de la tubería, garantizada por los fabricantes. El costo KWH, a precios actuales se puede dar $ 3.158 ó el que se tenga en la región para efectos de anualidades se puede utilizar los valores tabulados en la tabla 3.5. En el perfil del plano de la conducción se hará el trazo de los gradientes hidráulicos y las sobrepresiones debido al golpe de Ariete. 3.2.2. METODOS DE DISEÑO Para determinar el diámetro de una tubería de conducción por bombeo existen tres procedimientos. 1) procedimiento razonado 2) Procedimiento mecánico. 3) Procedimiento gráfico 1)

PROCEDIMIENTO RAZONADO.

a) En este procedimiento se hace un análisis económico de varios diámetros que se suponga tiene la capacidad y eficiencia competitiva para llevar el gasto requerido. Son muchos los diámetros que pueden llevar ese gasto , pero ¿ Cual es el mas conveniente por económico ?. b) Un gasto determinado, lo pueden conducir muchos diámetros. Para diámetro menores que el requerido, las perdidas de carga son mayores y por lo tanto el consumo de energía es mayor pero el costo de instalación de la tubería es menor. c) Para diámetro mayores que el requerido el consumo de energía es menor por ser menores pérdidas de carga, pero el costo de instalación es mayor. d) No obstante, existen un diámetro en el que se logra que la combinación del costo del consumo de energía y el costo de instalación de la tubería hace mínimo el costo de operación de la línea. Este diámetro se le llama " Diámetro económico de bombeo ", que da la solución optima. e) Este análisis está fundado en dos componentes que integran el costo. i) El costo anual de la tubería instalada y ii) El costo anual del consumo de energía eléctrica iii) El costo total del consumo de energía eléctrica se obtendrá multiplicando el consumo de Kw-hora al año, por el costo actual del Kw-hora. f) La suma de estos dos costos dará el costo total anual de operación. El diámetro que se seleccione será el que dé el menor costo total anual; pues éste será el diámetro más económico.

Antes de determinar el costo de instalación de la tubería ensayada se verificará si el espesor de la tubería resiste no solo la " carga normal de operación ", sino también la eventualidad de la sobre

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presión producida por el " golpe de ariete ". Esta sobrepresión se obtendrá mediante la expresión siguiente :

Hi =

145 V Ka D 1+ Et e

en donde: ΔHi = Golpe de Ariete, en mts. V = Velocidad de circulación del agua en la tubería, en l.p.s. Ka = Módulo de elasticidad del agua = 20738 kgs./cms². ó 300000 lb./pie². Et = Módulo de elasticidad del material con que está fabricado el tubo: para Asbesto Cemento Et = 328 000 kg./cm². para acero Et = 2 100 000 kg../cms². Para PVC Et = 28,100 kg/cm2 Para Fibrocemento Et = 240,000 Kg/cm2 Para Cobre Et = 1,300,000 Kg/cm2 Para hierro colado Et = 1,050,000 Kg/cm2 Para concreto Et = 175,000 Kg/cm2 d = Diámetro inferior de la tubería en cm e = espesor de la pared del tubo en cm ( consultar tablas 2), pagina 208 Debe entenderse como " carga normal de operación ", la carga diaria de trabajo de la tubería, sin considerar la sobrepresión por golpe de Ariete. Para elegir los diámetro por analizar se recurre a datos empíricos. Por la practica se sabe que por lo general la velocidad del agua en un diámetro económico gira al rededor de 1.20 m.p.s. por tanto, para fijar los diámetros por analizar basta recurrir a la formula de la ecuación de continuidad ( Q = A.V , conocemos la velocidad. De esta forma se tiene un punto de partida para inicial el análisis económico que nos permite estar cerca del diámetro buscado sin hacer mas tanteos que los necesarios. a) El costo anual de tubería instalada, que incluye la mano de obra y la adquisición de la tubería , se obtiene considerando que esta obra será financiada por una institución bancaria que prestará el capital a un determinado interés anual, a manera de recuperar el capital invertido en un número de años. El pago de interés y capital por año, que es lo que se denomina anualidad, se determina mediante la formula de interés compuesto.

a=r

r (1  r ) n  1

donde: a = Anualidad. r = Interés anual. n = Número de anualidades.

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TABLA 3.5. DE ANUALIDAD ANUALIDAD PARA REEMBOLSAR $ 1.00 ( UN PESO ) DENTRO DE n años,

a=r

r (1  r ) n  1

; a = anualidad ; r = interés anual,

Año s

INTERES

n = número de anualidades

ANUAL

Añ o

5% 0.537805

5½% 0.541618

6% 0.545437

6½% 0.549262

7% 0.553092

8% 0.560769

9% 0.568469

10 % 0.576190

0.367209

0.370654

0.374110

0.377576

0.381052

0.388034

0.395055

0.402115

0.282012

0.285294

0.288591

0.291903

0.295228

0.301921

0.308669

0.315471

0.230975

0.234176

0.237396

0.240635

0.243891

0.250456

0.257092

0.263797

0.197017

0.200179

0.203363

0.206568

0.209796

0.216315

0.222920

0.229607

0.172820

0.175964

0.179135

0.182331

0.185553

0.192072

0.198691

0.205405

0.154722

0.157864

0.161036

0.164237

0.167468

0.174015

0.180674

0.187444

0.140690

0.143839

0.147022

0.150238

0.153486

0.160080

0.166799

0.173641

.0129505

0.132668

0.135868

0.139105

0.142378

0.149029

0.155820

0.162745 10

0.120389

0.123571

0.126793

0.130055

0.133357

0.140076

0.146947

0.153963 11

0.112825

0.116029

0.119277

0.122568

0.125902

0.132695

0.139651

0.146763 12

0.106456

0.109684

0.112960

0.116283

0.119651

0.126522

0.133567

0.140779 13

0.101024

0.104279

0.107585

0.110940

0.114345

0.121297

0.128433

0.135746 14

0.096342

0.099626

0.102963

0.106353

0.109795

0.116830

0.124059

0.131474 15

0.080243

0.083679

0.087185

0.090756

0.094393

0.101852

0.109546

0.117460 20

0.070952

0.074549

0.078227

0.081981

0.085811

0.093679

0.101806

0.110168 25

0.065051

0.068805

0.072649

0.076577

0.080586

0.088827

0.097336

0.106079 30

0.061072

0.064975

0.068974

0.073062

0.077234

0.085803

0.094636

0.103690 35

0.058278

0.062320

0.066462

0.070694

0.075009

0.083860

0.092960

0.102259 40

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0.054777

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0.059061

0.063444

0.067914

0.072460

0.081743

0.091227

0.100859 50

A esta anualidad se le suma el costo anual del consumo de energía eléctrica, la cual se determina del modo siguiente: De acuerdo con la carga total de bombeo, el gasto y el peso específico del agua se calcula la potencia requerida para el bombeo.

Entonces : P =

 Q Ht 76 

en donde : P = Potencia en H.P.  = Peso específico del agua, en kg../cms³. o lbs./pie³ .

Q = Gasto, en mts³./seg. Ht = Carga total de bombeo, en mts. o pies.  = Eficiencia del motor del equipo. La carga total de bombeo está dada por la suma del desnivel entre el nivel dinámico y la superficie libre del agua en el tanque, más las pérdidas por fricción, más las pérdidas menores y más la carga de velocidad en la descarga, obtenida la potencia en H.P. se transforma en Kw-hora sabiendo que 1 H.P = 0.7457 Kw-H. Como se supone que el bombeo se efectuará durante todo el año ( 365 días ), para tener el consumo anual de energía en Kw-H., se multiplicará el número de horas que tiene el año ( 8760) por la potencia en H.P. y por 0.7457

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Tabla 2.- Espesores de las tuberías de PVC, en el sistema métrico e ingles. 2.- PROCEDIMIENTO MECANICO

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Este problema también se puede resolver tabulando los datos y los resultados de las operaciones que demanda el proceso de cálculo para obtener el diámetro buscado. A este procedimiento se denomina aquí “Procedimiento Mecánico” porque se da tan diferido que se procede casi como autómata ya que la misma plantilla de cálculo ( ver anexo 2, de la pagina 201) nos va guiando en el proceso de manera tal que asentando los valores que se solicitan y realizando las operaciones ahí mismo indicadas se llega a la solución del problema. Lleva tan de la mano este método que es frecuente que el calculista neófito o el estudiante no asimilan bien este proceso de análisis y, no solo eso, sino que a veces se “pierden” mentalmente en la secuencia del proceso y ya solo continua mecánicamente llenando los datos que la plantilla va solicitando. Este procedimiento es recomendable porque ahorra tiempo y esfuerzo, cuando el calculista domina conscientemente este proceso de análisis, pero no es recomendable en el terreno didáctico si antes no se asimila el método razonado. La elección de los diámetros por analizar se hace de la misma manera que en el procedimiento razonado; es decir, se parte de considerar como velocidad de circulación 1.20 m/s para que mediante la fórmula de la continuidad se pueda determinar el diámetro comercial que servirá de base para elegir otros diámetros comerciales: uno inmediatamente mayor y otro inmediatamente menor. Hecho lo anterior, se procede a ir satisfaciendo la demanda de datos y valores en el orden solicitado por la tabla mencionada tal como se muestra en el ejemplo que de este procedimiento se presenta en las tablas siguientes, que por sí solas se explican. 3.- ANÁLISIS SIMPLIFICADO. Cuando se trate de condiciones por las cuales se tengan gastos mínimos, menores a 10 l.p.s. no será necesario calcular con extrema precisión el diámetro más económico, en vista que la variación que se tendrá entre diámetros consecutivos no afectará substancialmente los costos iniciales de construcción de la obra. Así entonces, basados en la experiencia se puede tener una gran seguridad en la determinación del diámetro recomendable para la línea de conducción de acuerdo a lo siguiente : Buscar un diámetro que de acuerdo al gasto por conducir , arroje una velocidad que esté comprendida entre 1.0 y 1.5 m./seg. y que la pérdida de carga por fricción oscile entre 2.5 a 4.0 m./km. Hecho esto, únicamente se procederá a calcular el valor del 20% del golpe de Ariete, que deberá sumárselo a la carga de trabajo de la tubería procediendo a dibujar en los planos la línea piezometrica y la línea de sobrepresión por el golpe de Ariete. Generalmente el diámetro se calcula con el gasto máximo diario, sin embargo, en abastecimiento para poblaciones rurales, con frecuencia se tendrán valores de unos cuantos litros o fracciones de litros por segundo, lo cual acarrearía tener diámetros muy pequeños en los conductos. Aunado a esto habrá ocasiones en los que se requiera bombeo, corriéndose el alto riesgo de no poder contar con equipos para el impulso de caudales inferiores a los 3 l.p.s.

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En estos casos se tendrá que ver la posibilidad de bombear y conducir el gasto equivalente a 24 horas disminuyendo el número de horas que convenga de tal manera que se consiga evitar problemas para la obtención de los equipos de bombeo. En estos casos se tendrá que aplicar invariablemente la siguiente relación:

Q de conducción



24 Hrs. x Qmáx. diario para 24 horas. No. de horas de bombeo.

3.- PROCEDIMIENTO GRAFICO. Existe un procedimiento gráfico poco conocido y por ello escasamente ensayado. No se ha aplicado en nuestro medio de manera que no se tiene suficientes elementos de juicio para opinar sobre la valía práctica de su uso. Se presenta este procedimiento desde un punto de vista meramente didáctico, para información y conocimiento de los estudiantes de ingenieros Civil. La formula en la que se basa este método es la siguiente: d = [ 3.14 (e) ] 0.517 ( Q) 500 (E ) (a) (R )

0.4475

d = Diámetro de la tubería en pulgadas e = Costo en dólares del Kw – h E = Eficiencia combinada del motor y bomba a = Costo por libra, en dólares , de la instalación de la tubería R = Porcentaje de los gastos fijos anuales Q = Gasto en galones por minuto Este ábaco a líneas paralelas para obtener el diámetro económico de una tubería se encuentra en los anexos para su consulta y se maneja de la manera siguiente: Se marca el punto de intersección de los valores E y R. Partiendo de este punto se lleva una paralela al eje horizontal x-x hasta interceptar al eje y-y. Esta nueva intersección se une con el valor de (e) en su escala correspondiente. Después, partiendo del valor dado de Q se traza una paralela a la línea que une al valor (e) con el punto de intersección en el eje y-y, hasta interceptar al eje x-x. De este punto se levanta una vertical que va a interceptar a la línea que representa el valor de (a). Esta última intersección nos da ya el valor del diámetro económico buscado, se presenta un ejemplo que ilustra su manejo.

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EJEMPLO 3.1.

Figura 3.23.- perfil de la línea de conducción por bombeo. Determinar el diámetro económico de una línea de conducción por bombeo que va a llevar un gasto de 100 l.p.s. a través de 2500 mts. de longitud. ( como se indica en la figura 3.23). SOLUCIÓN. De acuerdo a los datos de al perfil se usarán tuberías de asbesto-cemento, cuyo valor de n = 0.010, espesor = 2.85 cms., Et = 328000 kgs./cm². Ka = 20,670 kg/cm2. Determinación del diámetro , para esto suponemos una V = 1.2 m /.s. Q = AV; como

de donde

A = Q / V = 0.100 /1.2 = 0.0833 M2

A = 0.785 D2 resulta que : Dt = ( 0.0833 / 0.785) = 0.326 m = 12 ½ pulg.

Este es el diámetro teórico que debe instalarse; pero no existiendo en el mercado comercial, se toma el diámetro comercial más próximo, este es de 300 mm. (12” ). Además de este, tomaremos el diámetro comercial inmediato mayor y el inmediato menor, este es de 350 mm. (14” ) y 250 mm. ( 10 " )

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a).- ANÁLISIS DEL DIÁMETRO DE ASBESTO-CEMENTO DE 250 MM. ( 10 " ). Costo del consumo de energía eléctrica. La perdida por fricción se determina por la formula : Hf = K .L.Q² Hf.- pèrdida por fricciòn

10.3 n 2 d16/3 para d = 250 mm. ( 10" ). K=

10.3 0.01 = 1.54 0.25416 / 3 2

K 10" =

También por tablas puede determinarse el valor de "K". Hf = K.L.Q². = ( 1.54 ) ( 2500 ) ( 0.100 )² = 38.50 mts. Pérdidas menores = 5% Hf = ( 38.50 ) 0.05 = 1.93 mts. Pérdida total de carga = Hf + 5% Hf = 38.5 + 1.93 = 40.43 mts. Carga total de bombeo = Ht = Desnivel topográfico + N. dinámico + N. estático + pérdida total de cargador fricción y menores. Ht = Dt + Prof. N.D. + N. estático + pérdida total de carga. Ht = ( 540-490 ) + 4.8 + 3.0 + 40.43 = 98.23 mts. La potencia requerida para el equipo de bombeo será :

Pot =

 Q Ht 76

si  = 90%.

1000 ( 0.100 ) ( 98.23 ) = 143.61 H.P. 76(0.90)

Como H.P. = 0.7457 Kw-H ; el consumo de energía eléctrica por año será : E = ( 143.61 ) ( 0.7457 ) ( 8760 ) = 938108.13 Kw-H.

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El Kw-hora cuesta $3.158 dato otorgado por la C.F.E. para publico urbano ( agua potable), por lo que, el costo anual del consumo de energía eléctrica será de: Costo anual de consumo de energía = 938108.13 x $ 3.158 = $ 2,962545.40 

Elección de la clase de tubería a ocupar :

Calculo del golpe de Ariete.

Hi =

145 V 145 ( 1.97 ) = = 228.5 Ka D (20738)(25.4) 1+ 1+ Et e (328000)(2.85) Q 0.100 = = 1.97 m.p.s. A 0.785 (0.254) 2

De esta sobrépresión el 80% del golpe de Ariete es absorbido por las válvulas y el 20% por la tubería. De acuerdo con lo anterior la sobrepresión absorbida por la tubería será : Hs = ( 228.57 ) ( 0.20 ) = 45.70 mts. Por lo tanto la carga total en el momento del golpe de Ariete será : Dt.- cálculo de la carga normal de trabajo de la tubería Dt = Hft + Hs = 50 + 40.43 + 45.70 = 136.13 m. Carga normal de trabajo de la tubería

= 136.13 m. ( 13.6 kg/cm2 )

Dada la carga de trabajo de la tubería y considerando la sobre-presión por golpe de Ariete, se utilizará tubería de asbesto-Cemento clase A-14 ya que la carga de trabajo de esta clase de tuberías es de 140 m, mayor que la de 136 m., por lo tanto es suficiente.

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2.- COSTO DE INSTALACIÓN DE LA TUBERÍA DE A.C. CLASE A-14 DE 250 mm, ( 10” ) CONCEPTO. EXCAVACIÓN A MANO PARA ZANJA EN MATERIAL CLASE "A" EN SECO, HASTA 2.00 M. DE PROFUNDIDAD. EXCAVACIÓN A MANO PARA ZANJA EN MATERIAL CLASE "B" EN SECO, HASTA 2.00 M. DE PROFUNDIDAD. PLANTILLA APISONADA CON PIZÓN DE MANO EN ZANJA CON MATERIAL "A" Y/O "B" DE 10 CM. DE ESPESOR. RELLENO APISONADO Y COMPACTADO CON AGUA, EN CAPAS DE 0.20 M. DE ESP. RELLENO A VOLTEO CON PALA. ATRAQUE DE CONC. SIMPLE f´c=100kg/cm². INSTALACIÓN, JUNTEO Y PRUEBA DE TU -BERÍA DE A.C. CLASE A-14 DE 254 MM. ----( 10" ) Ø ADQUISICIÓN DE TUBERÍA DE A.C. CLASE A-14 DE 250 MM. ( 10" ) Ø.

CANTIDAD.

UNIDAD .

P.V.

IMPORTE.

0.384

m³.

34.41

13.21

0.576

m³.

63.75

36.72

0.080

m³.

174.55

0.480

m³.

13.96

14.15

29.47 0.480

m³.

13.69

6.56

0.0004

m³.

2260.45

0.90

1.000

254.35

490.10

490.10 829.95

1.000

m. SUMA

EL COSTO TOTAL DE LA INSTALACIÓN = 2500 (829 =

$ 2,074875.00

Suponiendo que el capital se recupera en 10 años con interés del 10% anual, el coeficiente de anualidades para rembolsar ese dinero en 10 años se obtiene con la formula del interés compuesto. si : r = 10% n = 10 años.

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a=r+

r ( 1 + r )n - 1

a = 0.10 +

0.10 = 0.162745 1 + 0.10 - 1

La anualidad será : 0.162475 ( 2074875) = 337,115.32* * Que es el costo anual de la tubería instalada. El costo anual de operación será la suma del costo anual del consumo de energía eléctrica y el costo anual de la tubería instalada : Costo anual de energía Costa anual de tubería instalada Costo total anual de operación para la tubería de 254 mm. ( 10" ) Ø.

$ 2,962 545.40 $ 337,115.32 $ 3,299 660.70

b).- ANÁLISIS DEL DIÁMETRO DE 300 MM. ( 12" ) DE A.C. Costo del consumo anual de energía eléctrica.

H f 12 = K.L.Q 2

0.01 = 0.5826 n2 = 10.3 16/3 D 0.30516 / 3 2

K 12 = 10.3

H f 12" = 0.5826 ( 2500 ) ( 0.100 ) 2 = 14.56 m. Pérdidas menores

= 0.05 ( 14.56 )

Pérdida total de carga

= 0.73 mts. Hfr

15.29 mts.

La carga total de bombeo : H = desnivel topografico + N.D. + N.E. + Hf H = 50 + 4.80 + 3.0 + 15.29 = 73.09 mts.

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Pot =

 Q Ht 76

si  = 90%.

1000 ( 0.100 ) ( 73.09 ) = 106.85 H.P. 76(0.90)

Consumo anual de energía : E = 106.85 ( 0.7457 ) ( 8760 ) = 697979.67 Kw-h. Costo anual de este consumo = $ 3.158 el Kw-hora. Costo anual = ( 697979.67 ) ( 3.158 ) = $ 2,204,219.8 Elección de la clase de tubería a ocupar en el diseño.

Cálculo de golpe de Ariete:

Hi =

145 V 145 V 198.65 = = = 149.25 mts.  Ka D 2073830.5 1.331 1+ 1+ 3280002.5 Et e

Q 0.100 = = 1.37 m.p.s. A12 0.785 ( 0.305 ) 2

Sobré presión absorbida por la tubería = 0.20 ( 149.25 ) = 29.85 mts. La carga total en el instante del golpe de Ariete, esta tubería es : Ht = desnivel topográfico + Hft + 20% Hi. Ht = 50 + 15.29 + 29.85 = 95.14 mts. = 9.5 Kgs./cm².

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Se ocupará tubería de A.C. clase A-10 ya que esta clase soporta una carga de trabajo de 100 m > 95.14 m.

COSTO DE INSTALACION DE LA TUBERÍA DE A.C. CLASE A-10 DE 300 MM. ( 12" ) Ø. CONCEPTO. EXCAVACIÓN A MANO PARA ZANJA EN MATERIAL CLASE "A" EN SECO HASTA 2.00 M. DE PROFUNDIDAD. EXCAVACIÓN A MANO PARA ZANJA EN MATERIAL CLASE "B" EN SECO HASTA 2.0 M. DE PROFUNDIDAD. PLANTILLA APISONADA CON PISÓN DE MANO EN ZANJAS CON MATERIAL "A" Y/O "B". RELLENO COMPACTADO CON AGUA, EN CAPAS DE 0.20M. DE ESPESOR. RELLENO A VOLTEO CON PALA ATRAQUE DE CONCRETO SIMPLE f´c = 100 kg./cm². INSTALACIÓN, JUNTEO Y PRUEBA DE TUBERÍA DE A.C.CLASE A-10 DE 305 MM. ( 12" ) Ø . SUMINISTRO DE TUBERÍA DE A.C. CLASE A-10 DE 305 MM. ( 12" ). COSTO POR METRO.

CANTIDA D.

UNIDA D.

P.U.

IMPORTE.

0.42

M².

34.41

14.45

0.63

M².

63.75

40.16

174.55

17.45

0.10

M².

0.70

M²

29.47

20.63

0.70

M².

13.69

9.58

0.0005

M².

2260.45

1.13

1.0

352.50

852.50

1.0

671.43

450.0 $ 1,405.90

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Costo total de instalación

= 2500 (1,405.90 ) =

$ 3,514750.00

Anualidad en 10 años al 10% anual = ( 0.162745 ) ( 3,514750.00 ) = $ 572,007.99 El costo total anual de bombeo será la suma de : Costo del consumo anual de energía

$ 2,204 219.80

Costo anual de la tubería instalada.

$ 572,007.99

Costo total anual de bombeo para la tubería de 305 mm. ( 12" ) =

$ 2,776 227.80

c).- ANÁLISIS DEL DIÁMETRO DE A.C. DE 350 MM. ( 14" ). El costo del consumo anual de energía eléctrica.

Consumo anual de energía = 94.25 ( 0.7457 ) ( 8760 ) ( $3.158 ) = $ 1,944 293.10 Elección de la clase de tubería a ocupar : Cálculo del golpe de Ariete.

Hi =

V =

145 V Ka D 1+ Et e

145 ( 1.0 ) ( 20738 ) (35.5 ) 1+ ( 328000 ) (2.5 )

= 110.26 mts.

Q 0.10 0.10 = = = 1.0 m.p.s. 2 A12 0.785 d 0.785 ( 0.350 ) 2

Sobre presión absorbida por la tubería : Hs = 0.2 ( 110.26 ) = 22.05 mts. Carga total en la tubería al instante del golpe: Ht = 50 + 6.68 + 22.05 = 78.73 mts. Ocuparemos tubería de A.C. clase a-10, pues éste resiste una carga de trabajo de 100 mts. >78.73 mts.

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COSTO DE INSTALACIÓN DE LA TUBERÍA DE A. C. CLASE A-10 CONCEPTO

CANTIDAD

UNID AD

P.U.

DE ( 14" ) IMPORTE

EXCAVACIÓN A MANO PARA ZANJA EN MA- TERIAL CLASE "A" EN SECO HASTA 2 MTS. DE PROFUNDIDAD.

0.468

M³ .

34.41

16.10

EXCAVACIÓN A MANO PARA ZANJA EN MA- TERIAL CLASE "B" EN SECO HASTA 2 MTS. DE PROFUNDIDAD.

0.702

M³ .

63.75

44.75

0.100

M³ .

174.55

17.45

0.700 0.700

M³ M³ .

29.47

20.63

13.69

9.58

0.0006

M³ .

2260.45

1.36

1.000

675.80

1.000

1574.8

1574.80

PLANTILLA APISONADA CON PISÓN DE MA- NO EN ZANJAS CON MATERIAL "A" Y/O "B" RELLENO APISONADO Y COMPACTADO CON AGUA, EN CAPAS DE 0.20 MTS. DE ESPESOR. RELLENO A VOLTEO CON PALA. ATRAQUE DE CONCRETO SIMPLE f´c = 100 KG/CM². INSTALACIÓN, JUNTEO Y PRUEBA A LA TUBERÍA DE A.C. CLASE A-10 DE 350 MM. ( 14 " ) Ø . ADQUISICIÓN DE TUBERÍA DE A.C. CLASE A-10 MM. ( 14" ). Costo por metro tubería de 14 “

$ 2,360.47

Costo total de instalación = (2500) ( 2,360.47 ) = $ 590 1175..00

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Anualidades en 10 años al 10% anual = ( 0.16275) ( 5,901 175.00 ) = $ 960,416.23 El costo anual de bombeo para esta tubería de 35 mm. ( 14" ) de A.C. clase A-10 será : Costa anual de energía Costo anual de la tubería instalada Costo total anual para tubería de 14”

$1,944 293.10 $960,416.23 $ 2,904 709.30

RESUMEN. Costo anual de operación de la tubería : 1) A.C. clase A-14 de 250 mm. ( 10" ) Ø.

$ 3,299 660.70

2) A.C. clase A-10 de 300 mm. ( 12" ) Ø.

$ 2,776 227.80

3) A.C. clase A-10 de 350 mm. ( 14" ) Ø.

$ 2,904 709.30

Como se puede ver, el diámetro más económico de bombeo es el de la tubería de 12” ( 300 mm) clase A-10 de 300 mm. ( 12" ) Ø. En el perfil de la conducción, se hará el trazo de los gradientes correspondientes a la línea piezometrica de trabajo normal y de presiones totales que incluye el 20% del golpe de ariete. EJEMPLO 3.9.- Diseñar el diámetro de la línea de conducción por bombeo de zapotalito. DATOS: Población de proyecto : 200 habitantes. Dotación : 50 lts./ trabajo. 1)

Cálculo de los gastos:

a) Gasto medio anual : Qm.a. =

pob.Proyecto x Dotación 200 x 50 = = 0.12 l.p.s. 86400 seg. 86400

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Gasto máximo diario ( Q máx. diario ). Qmáx. diario = Qmáx. x 1.3 = 0.12 x 1.3 = 0.16 l.p.s. Gasto máximo horario ( Q máx. Horario ) : Q máx.H = Qmáx.d x 1.5 = 0.16 x 1.5 = 0.24 l.p.s. Cálculo del diámetro teórico de la línea de conducción. Diámetro de conducción = 1.5 ( Qmáximo diario)1/2 Dt = 1.5 (0.16)1/2 = 0.60

Pero como no existen bombas comerciales para un gasto de 0.16 l.p.s., proponemos bombear 1:28 horas diarias y obtendremos un gasto de 3.0 l.p.s., para este gasto, encontraremos bombas comerciales, con este gasto obtendremos el diámetro de conducción.

Q conducción =

24 Hrs. x 0.16 = 3.0 l.p.s. 1.28 Hrs.

D cond. = 1.5 3 = 2.60"  2 1/2". Proponemos utilizar tubería de PVC RD-26 de 2 1/2" ( 64 mm. ) de diámetro.  Cálculo de la potencia de la bomba. Presión normal aproximada: Carga total estática. Desnivel topográfico = 214.33 - 200.00 = 14.33 m. Cálculo de la pérdida de carga por fricción. L = 321.50 ;

K 64 = 1944.06 ;

Q = 0.003 m³/seg.

Hf = K.L.Q² = 1944.06 x 321.5 ( 0.003 )² = 5.63 m.  Pérdidas menores.

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H menores = 5% Hf

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= 0.05 ( 5.63 )

= 0.28 m.

Cálculo de la carga dinámica total de bombeo : Desnivel topográfico 14.33 Nivel dinámico 25.00 Carga en el tanque 2.00 Pérdida total 5.91 Carga Total = 47.24 m.

Cálculo de la sobré presión o golpe de Ariete.

1 2/3 1/2 r s n

A = 0.785 ( 0.064 ) 2 = 0.00317 m 2 P = 3.1416 x 0.064 = 0.19949 mts.

A 0.00317 = = 0.01589 P 0.19949

R 2/3 = ( 0.01589 ) 10.666 = 0.06338

Hf 5.91 = = 0.01838 L 321.50

S1/2 = ( 0.01838 )0.5 = 0.13558 V = 0.06338 x 0.13558/0.009 = 0.95 m/s. Ahi = Golpe de ariete

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Hi =

145 V = Ka D 1+ Et e

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145 ( 0.95) = 34.2 m ( 20738 ) (6.4 ) 1+ ( 28100 ) (0.31 )

El 20 % del golpe de ariete lo absorberá la tubería que equivale a 0.20 ( 34.20) = 6.84m f) Cálculo de la potencia de la bomba:

Pot =

 Q Ht 76

si  = 75 %.

1000 ( 0.003) ( 47.24 ) = 2.48  5.0 H.P. 76(0.75)

Se propone una bomba de 5.0 H.P, para bombear durante un tiempo de 2 horas. Eficiencia del motor = 75%. Carga total al momento del golpe de ariete = 6.75 + 5.63 = 12.38 m = 1.24 kg/cm2 Se usa tubería de PVC RD-64 que resiste una presión de 4.5 kg/cm2.

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MÉTODO MECÁNICO. Ejemplo. Determinar el diámetro más económico para una conducción con capacidad de 750 l.p.s y longitud de 2,000.00 m. El agua se bombeará de un cárcamo a un tanque regulador para una altura de

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impulsión de 55 m., la amortización de la obra se hará a 15 años, con interés del 18 %, utilizar la tabla de cálculo del diámetro más económico. DATOS Q = 750 L.P.S L = 2000 m Carga estática H = 55.00 m n = 15 años r = 8 años Eficiencia = 85 % Tipo de material tubería = Asbesto- cemento ( n) = 0.01 Determinación del diámetro teórico. Para determinar el diámetro de la conducción proponemos una velocidad en la tubería de 2.00 m/s. Q = A.V

, despejando el área, se tiene que:

A = Q/ v = 0.750 /2 = 0.375 m2 como el área de la sección transversal es : A = 0.785 D2

de donde D = (A/0.785)1/2 = ( 0.375/2 )1/2 = 0.691 m = 27. 20 “

Pero este es un diámetro teórico; el diámetro comercial más aproximado es Dc = 30 pulgadas. Por lo que se propone analizar tres diámetros, el inmediato inferior de 30 “, que es de 24 pulggadas, el inmediato superior que es de 36”. Naturalmente que al usar estos diámetros la velocidad será diferente a la supuesta en un principio.

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Figura 3.4.- tabla de cálculo método mecánico.

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3.2.2 PLANTA DE BOMBEO. Generalidades: Se conoce como planta de bombeo, al conjunto de estructuras utilizadas para capta Y elevar, por bombeo, en aguas superficiales o subterráneas destinadas al consumo Humano o para riego. El gasto necesario, se puede captar directamente del nivel Superficial del río o manantial por medio de una toma directa, con una galería Filtrante para el caso de aguas subálveas. La planta de bombeo consta principalmente de las siguientes estructuras:

A) Canal de llamada o canal alimentador. B) Cárcamo de bombeo. C) Equipo de bombeo. D) Tubería de solución y piezas especiales. E) Motor de acondicionamiento mecánico o eléctrico. F) Equipo eléctrico CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO. El diseño de una planta de bombeo cubre tres aspectos principales: 1.- Hidráulico 2.- Estructural. 3.-Mecánico-eléctrico. HIDRAULICO. En el aspecto hidráulico se deberá conocer la “Ley de Demandas”; es decir la Cantidad de agua necesaria en relación al tiempo y tipo de uso. En la base de este dato y las condiciones topográficas del sitio de bombeo y Localización de la descarga, se calcularan las capacidades de los equipos de Bombeo eléctrico ; tamaño, tipo y piezas especiales de los conductos forzados (tuberías) en la succión y la descarga, así como la conveniencia de regular o almacenar el agua en la descarga de bombeo para su uso eficiente.

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Para definir estos elementos del sistema, se deberán tomar en cuenta los costos De inversión inicial de operación (energía eléctrica, reparaciones y refacciones de los equipos de bombeo eléctrico). El cálculo de la capacidad de los equipos de bombeo y eléctrico se encuentra en la selección Del conjunto (bomba-motor) que sea capaz de elevar el agua hasta el sitio de descarga con la eficacia requerida. Se dice que el conjunto representa:

bomba-motor debe ser capaz de vencer la carga dinámica, que se

* El desnivel topográfico de los sitios de succión y descarga hidráulica (carga estática ). * Carga necesaria para vencer las pérdidas de fricción en las tuberías de succión y descarga. * Carga necesaria para vencer las pérdidas provocadas por piezas especiales y conexiones de tubería. 

Carga necesaria que se requiere presión en la descarga.



Carga necesaria para renovar las pérdidas debido a las condiciones climáticas (temperatura del agua) y localización del sistema de bombeo (altura sobre el nivel del mar).

2.- Estructural. Dependiendo del tipo de localización de la capacitación , del número equipos de bombeo y eléctrico, se dimensionará el cárcamo del bombeo.

y disposición

de los

Conocidas como las dimensiones, se procede a la estructuración para lograr la seguridad Y funcionalidad al sistema, tomando en cuenta las condiciones de trabajo del Equipo (vibraciones, reparaciones, etc.) y de la cimentación. 3.- Mecánico- Eléctrico: Deberá tomarse en cuenta en el diseño, la magnitud, localización y tipo de los equipos de bombeo e eléctrico, para prever los espacios y los apoyos convenientes que eviten prematuros y/o accidentes.

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Aspectos constructivos: La diversidad de elementos que se mantengan en este tipo de obras, obliga a Considerar una coordinación efectiva en el suministro de los equipos de bombeo, Eléctrico y materiales para la obra civil, a fin de evitar suspensiones y repeticiones de trabajo que pedieran ocurrir. Respecto a la mano de obra. Esta deberá ser cuidadosamente instruida para garantizar un trabajo bien realizado, ya que por Sus características, base de elementos estructurales en la obra civil, requiere en buena medida mano de obra calificada. Para la instalación y puesta en marcha de los equipos de bombeo y eléctrico se requiere personal especializado. Es muy importante mantener vigente un programa de obra, aun para plantas de bombeo pequeñas que pueden reducirse a una motobomba y capacitación directa, ya que con su ayuda podrá lograrse la coordinación necesaria, para su construcción e instalación. Es recomendable que todas las piezas de los elementos del sistema de bombeo se vayan probando los más pronto posible; inclusive las que requiere revisión previa y reparación para su instalación, como es al caso de las motobombas sumergibles. Por lo anterior es conveniente que el personal técnico encargado de la obra conozca las especificaciones del proyecto y las proporcionadas por el fabricante.

Operación y conservación . Una buena operación no sólo será posible, si se logra una buena organización para dicho propósito. Por lo tanto, invariablemente, existirá un responsable de la operación y conservación del sistema, que permanecerá en el tiempo necesario en las instalaciones, durante afuera del periodo del funcionamiento de la bomba, para detectar cualquier anomalía que se presente. Esta persona responsable deberá estar debidamente instruida para ser capaz de detectar anomalías y reparar pequeños daños, como aflojamientos desperfectos en conexiones o piezas especiales, tanto hidráulicas como eléctricas. Asimismo deberá ser capaz de conocer los riesgos y peligros que implica el contacto con piezas, equipos o partes en funcionamiento, particularmente las eléctricas. Siempre debe evitarse tocar ningún elemento dispositivo, hasta asegurarse de que Se ha cortado el suministro de corriente eléctrica.

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Figura 3.24.- 2Equipo de bombeo tipo vertical para pozo profundo.

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3.2.3. ESTUDIOS AUXILIARES. Equipos de bombeo: Dentro del diseño de sistemas de conducción de agua potable es común la instalación de equipos de bombeo, una correcta selección de la bomba permite tener eficiencias altas en el equipo por lo tanto consumos menores de energía y costos anuales más bajos. En el mercado existen varios tipos de bombas: centrífugas, de flujo axial y flujo mixto entre otras. En los rebombeos regularmente se utilizan bombas centrífugas y en pozos profundos las de flujo axial ( vertical sumergible). 3.2.1. Definiciones Las siguientes definiciones fueron tomadas de la norma NOM-101-SCFI-1994, publicada en el Diario Oficial de la Federación del viernes 13 de enero de 1995 ( paginas 20-28). Bomba Centrífuga: Es aquella que suministra energía al fluido de trabajo para que éste aumente su velocidad dentro de la carcaza a valores mayores que los que ocurren en la válvula de descarga, de tal forma que las subsecuentes reducciones de velocidad producen un incremento en la presión. Carga: La carga en una red hidráulica es la presión a la que se encuentra el fluido de trabajo. Caudal o Gasto: Es el volumen del fluido de trabajo que fluye por unidad de tiempo. En una bomba se refiere a la cantidad de agua que es capaz de entregar para una condición de carga dada. Eficiencia: Es la razón de la potencia en el agua a la salida de la bomba entre la potencia de entrada a la flecha de la bomba. 3.2.2. Relación hidráulica de un equipo de bombeo. Cuando se va utilizar un equipo de bombeo en el diseño de tubería también son aplicables las relaciones de pérdidas mencionadas en los primeros apartados de este capítulo. Al hacer el análisis de una línea de bombeo se usa la relación propuesta por Bernoulli ( ecuación 3.2), para ello nos remitimos a la siguiente figura: Figura 3.2.3. Esquema hidráulico de una línea de conducción con equipo de bombeo.

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Al aplicar la ecuación de Bernoulli entre las superficies libres del agua (SLA) s y d tenemos:

Zs 





Vs 2 Pd Vd 2  HB  Zb    ht s d -----------------------( 1) 2g  2g

Siendo: HB = Carga de bombeo (m) Hts-d = Pérdidas de carga en la succión y la descarga (m) ht

s-d

= Pérdidas de carga en la succión (m)

hfd = Pérdidas de carga en la descarga (m) hfs

= Pérdidas de carga por fricción en la succión (m)

= Pérdidas de carga por fricción en la descarga (m)

hx s = Pérdidas de cargas locales (por conexiones) en la succión (m) hx d = Pérdidas de cargas locales (por conexiones) en la descarga (m) La carga por presión hp = P/γ se elimina en ambos miembros de la ecuación por estar expuestos a la presión atmosférica. La carga por velocidad hv = V2/2g en el cárcamo de bombeo tiende a cero, en la descarga si la tubería esta ahogada (figura anterior) la hv también tiende a cero, si la descarga es libre es necesario calcular el valor de hv. La diferencia entre las cargas por posición Az = Zd – Zs es el desnivel entre las SLA de los tanques, o entre la SLA del cárcamo y la altura de la tubería cuando la descarga es libre. La ecuación anterior queda de la siguiente manera, al despejar para la carga de bombeo (HB) en ambos casos: Descarga ahogada:

HB  z  ht s d

------------ ( 2 )

Descarga libre:

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HB  z  hvd  ht s d -------( 3)

Donde: HB = Carga de bombeo (m) ΔZ = Desnivel entre la SLA del cárcamo y la SLA del tanque o el nivel de la tubería de descarga (m) ΔZ = Zd - Zs hv d = Carga por velocidad de la tubería de descarga (m) hf

= Pérdidas de carga por fricción y locales entre la succión y la descarga (m)

De la figura 3.2.3. podemos obtener las siguientes relaciones, tomando los valores por abajo del eje de la bomba (ojo del impulsor), como negativos y por arriba como positivos: HB = HBd - HBs

__--------------------------------

HB d = Hd + hv + hf

HB s = - H s – hf

(4)

--------------------(5) ---------------------(6)

La carga por bombeo queda: HB = (H d + H s) + hv d +(hf +hf d) ----------------( 7) Donde: (H d + H s) = H = AZ = Desnivel entre la SLA del cárcamo y la SLA del tanque en descarga ahogada, o a la altura de la tubería en descarga libre (m) hV d = Carga por velocidad en la descarga (m) (hv d = 0 para descarga ahogada)

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(hf s + hf d ) = ht

Abastecimiento de Agua s-d

= Pérdidas de carga en la succión y la descarga (m)

Por lo que la fórmula (7) es igual a las fórmulas (2) y (3) Carga Neta Positiva de Succión (CNPS) [Net Positive Suction Head - NPSH] la carga absoluta total de succión (CNPS) puede ser definida como la carga absoluta total de succión a la entrada de la bomba menos la presión de vapor del agua. La Cavitación ocurre cuando el CNPS disponible en la entrada es determinado por los fabricantes de bombas mediante pruebas a cada modelo. En la siguiente figura se muestra los dos caos de posición del tanque en la succión.

Figura 3.2.4. Posición del tanque en la succión.

hs = Carga de succión positiva hs- = Carga de succión negativa (Carga de levantamiento)

El CNPS disponible puede ser calculada por las siguientes ecuaciones a) Para carga de succión positiva (hs) CNPS

disp.

= hs – hf s +Padm. - Pv

Donde: CNPS

disp.

= Carga Neta Positiva de Succión disponible (m)

= Carga de succión positiva (m)

hfs

= Pérdidas de carga por fricción y locales en la descarga (m)

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atrn

bar

gs Pv

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= Presión atmosférica (m) = Presión manométrica (m) ( Figura 3.25 y 3.27 ) = Gravedad específica (adim) (cuadro 3.26.) = Presión de vapor (m)

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Cuadro 3.25.- presiones barométricas

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Figura 3.26.- Presión de vapor y gravedad especifica.

a) Para carga de succión negativa (hs) Donde: CNPS 0 Carga Neta Positiva de Succión disponible (m) Hl = Carga de succión negativa (m) Hf = Perdidas de carga por fricción y locales en la succión (m). Patm = Presión atmosférica (m) =Pbar /gs Pbar = Presión manométrica (m) ( Figura 3.25 y 3.27) Gs = Gravedad especifica (adim9) cuadro 3.26) Pv = Presión de vapor (m). La CNPS disp. Debe ser menor a la CNPS disp. Ya que de no ser así se presentará cavitación en el equipo de bombeo, dando como resultado una disminución en la carga de bombeo, hasta la destrucción del equipo de un corto periodo de tiempo

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Curvas características de las bombas Las curvas características describen el funcionamiento de las bombas, dichas curvas consisten en: (1) Curva de Carga vs Descarga (H vs Q): La cual describe la gama de gastos de funcionamiento de la bomba y las cargas asociadas a ellos. Se utilizan para seleccionar la bomba cuyas características se adapten al flujo y cargas necesarias a la máxima eficiencia. (II) Curva de Eficiencia VS Descarga (ŋ vs Q): Describe las eficiencias asociadas a diferentes relaciones de H y Q. Las bombas tienen un punto de eficiencia máxima por lo que al seleccionar el equipo se debe buscar la relación H - Q - ŋ idónea. Las eficiencias de las bombas son obtenidas en laboratorio. (III) Curva de Potencia vs Descarga (BHP vs q ): Describe la potencia aL freno en caballos de potencia (Horse power) asociados a diferentes relaciones de H y Q. (IV) Curva de Carga Neta Positiva de Succión requerida vs Descarga (CNPS vs Q). Muestra la carga en la boquilla de succión de la bomba, necesaria para vencer la suma de todas las pérdidas en la succión de la bomba hasta que el fluido entra en el impulsor. Es mínima a bajo flujo y se incrementa conforme aumenta el flujo. La siguiente figura muestra esquemáticamente las curvas características de una bomba.

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Motores Los motores más comunes en los equipos de bombeo son: eléctricos (monofásicos o trifásicos) y de combustión interna (diesel, gasolina o gas). Actualmente los motores eléctricos se usan con mayor frecuencia solo en los lugares donde no se dispone de electricidad se usan motores de combustión interna. Las eficiencias asociadas a los motores eléctricos se muestran en el cuadro 8.19., en el cuadro 6.20. muestra la capacidad de los motores y los fusibles necesarios según su potencia. Eficiencia en motores típicos (%) 60 ciclos

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Figura 3.27.- Eficiencia de motores y Tamaño de los fusibles

Cuadro 3.28. Capacidad de corriente de conductores de cobre aislados (amperes)

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Equipos de pozo profundo. La extracción del agua del subsuelo requiere de otro tratamiento para la selección del equipo que va operar. Los principales factores que influyen en la selección del equipo son de entre otros: La capacidad de conducción de agua del acuífero (conductividad hidráulica –K-): la cual determina el gasto que se puede extraer y depende del estrato o estratos del suelo que se encuentran en la excavación del pozo. El nivel estático (NE) y el nivel dinámico (ND) o nivel de bombeo (NB): Los cuales varían de región en región y dependen del tipo de suelo, de la recarga del acuífero y de la intensidad de bombeo que se tenga a nivel regional. El nivel estático, es la profundidad de la superficie del suelo al espejo de agua en un pozo excavado que se tiene antes de iniciar la extracción de agua con el equipo de bombeo. El nivel dinámico se define como la profundidad a la que llega el agua después de iniciada la extracción y posterior estabilización de la extracción. La diferencia entre el ND y el NE se denomina abatimiento .

La prueba de aforo: La cual se utiliza para conocer las producción real del pozo excavado y se realiza regularmente con un equipo de bombeo accionado por un motor de combustión interna. La prueba consiste en medir la profundidad del nivel estático y las diferentes profundidad es del nivel dinámico y gastos obtenidos al variar las revoluciones del motor. Con estos datos se forma la curva característica del aprovechamiento graficando gasto VS ND poniendo en el eje de las ordenadas (y) la profundidad del nivel dinámico y en el de las abscisas (x) el gasto.

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- La disponibilidad de energía eléctrica: Que influye en el tipo de motor a usar ya sea de combustión interna o eléctrico. Cuando la fuente de agua se encuentra alejada de los centros de población por lo que la disponibilidad de energía eléctrica se hace difícil, para estos casos se requieren motores de combustión interna. - El aspecto económico: Referente a la capacidad de crédito, las tasas de interés, el presupuesto destinado a la obra, y la relación costo beneficio del equipo seleccionado. En este último aspecto es el más importante ya que se deben analizar los costos iniciales ( costo de la bomba, el motor, el tendido de cables, la perforación del pozo, la tubería de conducción y todas las obras civiles inherentes al sistema de agua potable); los costos fijos ( como el mantenimiento, reparación y ampliaciones a futuro) y los costos variables ( sueldos del personal, costo de la energía eléctrica, costo del combustible, tasas de interés cuando se tiene un crédito).

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Figura 3.29.Múltiple de descarga con su caseta de control eléctrico, ramal eléctrico y plataforma de bombeo.

Figura 3.30. Ramal eléctrico, transformador y caseta de bombeo.

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Figura 3.33. Múltiple de descarga

CABEZAL DE DESCARGA DE EQUIPO DE BOMBEO A TUBERIA DE PVC HIDRAULIZA DURALON

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Figura 3.34.-

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Suministro y colocación de equipo de bombeo.