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SERIE GUIAS DE CLASE CARTILLA GUIA DE CLASE PARA EL DISEÑO APLICADO DE ACUEDUCTOS Y ALCANTARILLADOS

SERIE GUÍAS DE CLASE

CARTILLA GUÍA DE CLASE PARA ACUEDUCTOS Y ALCANTARILLADOS

VERSIÓN 01-XX

ELABORÓ: JOHANNA ROA GÓMEZ

BOGOTA, 2014

Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil -1-

SERIE GUIAS DE CLASE CARTILLA GUIA DE CLASE PARA EL DISEÑO APLICADO DE ACUEDUCTOS Y ALCANTARILLADOS

PRESENTACIÓN

Este texto guía es una herramienta que ofrece la Fundación Universitaria Agraria de Colombia (UNIAGRARIA) para el programa de Ingeniería Civil enfocada en la materia de Acueductos y Alcantarillados.

En la formación como ingenieros civiles, es de vital importancia contar con una guía académica física que sirva de apoyo para la aplicación de los conocimientos adquiridos durante la formación académica y así mismo sirvan de complemento a las mismas.

Esta cartilla cuenta con todas las herramientas necesarias, como lo son conceptos y ejemplos guías, los cuales serán verificados mediante un software gratuito y muy didáctico conocido como EPANET.

Este tipo de herramientas son de gran ayuda e importancia para los estudiantes y los docentes, y que seguramente facilitaran el manejo de la materia; y así mismo en un futuro campo de aplicación como ingenieros civiles.

Se espera que esta sea de gran ayuda en la formación de los estudiantes y de apoyo a los docentes para el desarrollo de la materia. De igual forma se agradece a todos aquellos que hicieron posible esta cartilla para el beneficio de la comunidad uniagrarista.

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INFORMACIÓN BÁSICA SEMESTRE

X

AÑO

2014

INFORMACIÓN DOCENTE PROFESOR

MARIA ALEJANDRA CAICEDO INFORMACIÓN DEL ALUMNO

NOMBRES Y APELLIDOS

LIDY JOHANNA ROA GOMEZ

CODIGO

2047211

JORNADA

DIURNA

Ilustración 1 Logotipo programa Ingeniería Civil

FUENTE: página web UNIAGRARIA

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CARTILLA GUÍA DE CLASE PARA EL DISEÑO APLICADO DE ACUEDUCTOS Y ALCANTARILLADOS

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 7 UNIDAD 1. GENERALIDADES ............................................................................................. 8 ACUEDUCTO Y ALCANTARILLADO ............................................................................. 8 RAS 2000 ............................................................................................................................... 9 GENERALIDADES PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS DE ACUEDUCTO ................ 10 POT- PLAN DE ORDENAMIENTO TERRITORIAL ...................................................... 12 MARCO LEGAL ................................................................................................................. 13 EJEMPLO DE APLICACIÓN ............................................................................................ 14 UNIDAD 2. SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO ............................................................... 17 CICLO INTEGRAL DEL AGUA ....................................................................................... 17 FUENTES DE ABASTECIMIENTO.................................................................................. 18 AGUAS METEÓRICAS ..................................................................................................... 19 AGUAS SUPERFICIALES ................................................................................................. 20 AGUAS SUBTERRÁNEAS ............................................................................................... 24 UNIDAD 3. NIVEL DE COMPLEJIDAD Y ESTIMACIÓN DE LA POBLACIÓN ........... 26 Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil -4-

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COMPORTAMIENTO DE LA POBLACIÓN ................................................................... 27 Método Lineal o Aritmético ............................................................................................. 28 Método Geométrico ......................................................................................................... 29 Método Exponencial ........................................................................................................ 30 Método Gráfico ................................................................................................................ 31 Ejemplo de Aplicación ..................................................................................................... 31 UNIDAD 4. CONSUMO DE AGUA ...................................................................................... 41 DOTACIÓN NETA ............................................................................................................. 42 PÉRDIDAS .......................................................................................................................... 43 DOTACIÓN BRUTA O CONSUMO TOTAL ................................................................... 48 CAUDAL DE DISEÑO ....................................................................................................... 48 Caudal Medio Diario Qmd .............................................................................................. 49 Caudal Máximo Diario QMD .......................................................................................... 49 Caudal Máximo Horario QMH ....................................................................................... 50 Ejemplo de Aplicación ..................................................................................................... 51 UNIDAD 5. DISEÑO DE OBRAS DE CAPTACIÓN ........................................................... 54 UNIDAD 6. ESTACIONES DE BOMBEO ............................................................................ 69 FUNDAMENTOS SOBRE BOMBAS................................................................................ 69 TIPOS DE BOMBAS .......................................................................................................... 72 FUNCIONAMIENTO DE BOMBAS ................................................................................. 74 SELECCIÓN DE UNA BOMBA ........................................................................................ 77 Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil -5-

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UNIDAD 7. TRANSPORTE DE AGUA-ADUCCION .......................................................... 79 UNIDAD 8. OBRAS DE SEDIMENTACION - DESARENADOR ...................................... 85 UNIDAD 9. OBRAS DE ALMACENAMIENTO Y DISTRIBUCIÓN - CONDUCCIÓN ... 97 UNIDAD 10. SISTEMAS DE ALCANTARILLADO ........................................................ 101 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................... 106

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INTRODUCCIÓN

El servicio de acueducto y alcantarillado se ha convertido en una necesidad básica para cualquier tipo de población, esto con el fin de garantizar el desarrollo social y económico, lo cual ayudara a cubrir dicha necesidad dando solución a la problemática del saneamiento básico de comunidades, suministrando así, agua potable y la recolección de las aguas residuales.

Nada de esto sería posible sin la participación de los ingenieros civiles, quienes con sus conocimientos tienen la capacidad de elaborar un diseño completo y eficiente de las redes de abastecimiento de agua potable al igual que el diseño de las redes de drenaje, para prestar en servicio futuro a la sociedad en la expansión de la población abastecida en determinada región, junto con la construcción de la infraestructura necesaria con la cual se logre dar soluciones adecuadas y acorde con una baja inversión de capital.

La presente cartilla tiene como objetivo brindar una herramienta guía con toda la información necesaria para la formación de los estudiantes como ingenieros civiles en el campo de acueductos y alcantarillados y así poder suplir las necesidades de la población que anteriormente se mencionan.

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UNIDAD 1. GENERALIDADES

ACUEDUCTO Y ALCANTARILLADO

El acueducto es todo un sistema de irrigación, que permite el transporte de agua de manera continua por medio de una serie de conductos exclusivos para el agua desde un lugar accesible a la naturaleza como fuente de abastecimiento hasta un lugar de consumo distante, para satisfacer las necesidades vitales de una población.

El alcantarillado o red de alcantarillado es un sistema de estructuras y tuberías destinadas a la recolección, conducción y disposición final de las aguas residuales o servidas, aguas lluvias, desde el lugar en que se generan hasta un lugar de vertimiento, ya sea un cauce o una planta de tratamiento.

Existen redes de alcantarillado combinado, es decir, que juntan las aguas negras y las aguas de lluvia en un mismo sistema de alcantarillado; o redes de alcantarillado separado que como su nombre lo indica el caudal generado por aguas lluvias va separado del caudal de aguas residuales.

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Todo este sistema, por lo general están a cargo de entidades que se encargan de abastecer el servicio de acueducto y alcantarillado para la población. Luego entonces estamos hablando de las famosas Empresas de Acueducto, las cuales ofrecen el servicio a manera regional, nacional y/o internacional. Por lo general son empresas públicas las prestadoras del servicio de acueducto y alcantarillado sanitario y pluvial.

RAS 2000

Es un manual técnico para la práctica de la ingeniería, que se ha venido consolidando por el Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, a través de la Dirección de Agua Potable, Saneamiento Básico y Ambiental, el cual permite articular las políticas del sector de agua y saneamiento con las políticas ambientales y de ordenamiento territorial a fin de manejar las actividades directas en la prestación de los servicios públicos de acueducto, alcantarillado y aseo en los ámbitos municipal y rural; además de fijar unos criterios básicos y requisitos mínimos considerando la normatividad vigente para la conceptualización, el diseño, la construcción, la supervisión técnica, la puesta en marcha, la operación y el mantenimiento de los sistemas de acueducto que se desarrollen, con el fin de garantizar su seguridad, durabilidad, funcionalidad, calidad, eficiencia, sostenibilidad y redundancia dentro de un nivel de complejidad determinado.

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GENERALIDADES PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS DE ACUEDUCTO

A la hora de diseñar un sistema de acueducto es de vital importancia tener en cuenta los siguientes aspectos:

a) Definición del nivel de complejidad del sistema b) Justificación del proyecto y definición del alcance c) Conocimiento del marco institucional y Acciones legales d) Aspectos ambientales e) Ubicación dentro de los planes de ordenamiento territorial y desarrollo urbano previstos f) Estudios de factibilidad y estudios previos g) Diseño y requerimientos técnicos h) Construcción e interventoría i) Puesta en marcha, operación y mantenimiento

De igual manera cualquier sistema de acueducto y alcantarillado posee un sistema de abastecimiento de agua, el cual consta de:

1. Fuentes de Abastecimiento, que comprende dos tipos, ya se superficial para el caso de ríos, lagos, embalses e incluso aguas lluvias; o las de tipo subterráneo (superficiales o profundas).

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2. Obras de Captación, es el tipo de estructura utilizada para la captación de agua dependiendo el tipo de fuente de abastecimiento.

3. Obras de Conducción, son las diferentes conducciones de agua entre los distintos tramos del proyecto; su forma depende de la topografía y la longitud de cada tramo.

La conducción funciona mediante tubería a presión o gravedad, y/o canales abiertos o cerrados.

4. Tratamiento del Agua, fundamental para lidiar con la contaminación del agua durante la conducción de la misma.

5. Almacenamiento, se realiza mediante la implementación de un tanque para los periodos en los que la demanda es menor al suministro del caudal.

6. Distribución, puede darse de manera sencilla con un único suministro de agua a una comunidad, o por medio de una red de distribución que conducen el agua a cada domicilio de la comunidad.

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POT- PLAN DE ORDENAMIENTO TERRITORIAL

Es una herramienta técnica que poseen los municipios para planificar y ordenar su territorio en el plano urbanístico. Su función es la planificación física, socioeconómica y medioambiental.

Para tal fin se deben realizar estudios al municipio sobre temas como la población, las etnias, el nivel educativo, economía, geografía, geología, y todos los estudios posibles que sirvan de instrumento para propiciar desarrollos sostenibles, contribuyendo a que los gobiernos orienten la regulación y promoción de ubicación y desarrollo de los asentamientos humanos.

Luego entonces, cuando se trata de diseñar un sistema de acueducto y alcantarillado, el POT se convierte en la primera herramienta a la que debemos recurrir para conocer toda la información que se requiere acerca del lugar que se verá beneficiado con el proyecto.

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MARCO LEGAL

Leyes y Normas Vigentes en el Manejo del Agua



Ley 09/79: Se expide el código sanitario.



Ley 373/97: Ahorro y uso eficiente del agua.



Ley 388/98: Plan de Ordenamiento Territorial POT.



Ley 142/94: Regulación de Servicios Públicos Domiciliarios.



Ley 94/93: Ministerio del Medio Ambiente.



Decreto 475/98: Regula las normas de calidad del agua.



Decreto 1594/84: Regula la calidad del agua residual.



RAS 2000.

Entidades de Control Las identidades de control responsables de velar por la calidad de agua para el consumo humano son:



Ministerio de Protección Social y de Ambiente



Vivienda y Desarrollo Territorial



Superintendencia de Servicios Públicos Domiciliarios



Instituto Nacional de Salud.

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EJEMPLO DE APLICACIÓN

Para el desarrollo de este libro guía, tomaremos como ejemplo el municipio de Mosquera. En ese orden de ideas, el primer paso es recopilar toda la información relevante sobre el municipio.

Mosquera

1

1

MUNICIPIO DE MOSQUERA, (s.f). Sitio oficial de Mosquera en Cundinamarca. [en línea], de http://mosquera-cundinamarca.gov.co/ Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil - 14 -

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Municipio ubicado en el departamento de Cundinamarca, en la provincia de Sabana Occidente a 2 km de Bogotá Forma parte del Área Metropolitana de Bogotá, según el censo DANE 2006. Este municipio está atravesado por la autopista Bogotá - Mosquera - Madrid Facatativá de oriente a occidente.



Geografía

La ciudad de Mosquera está situada en la Provincia de la Sabana Occidente, en el Departamento de Cundinamarca, sobre la cordillera Oriental, con más de 45.000 habitantes, su extensión total es de 107 kilómetros cuadrados y con un clima entre 12 y 14ºC. Mosquera limita con los municipios de Madrid, Funza, Bojacá y Soacha, Su cabecera municipal está a 2516 metros sobre el nivel del mar.



Hidrografía

Mosquera posee un humedal ubicado al sur occidente de la cuenca hidrográfica del río Bojacá, llamado Laguna La Herrera con un máximo de 2 metros de profundidad, con una extensión de 21.200 ha. La conservación y protección es responsabilidad de la (UMATA) y la (CAR), que se encargan de cuidar la laguna de la contaminación y de mantener vivas las especies de aves, mamíferas, reptiles y plantas que posee el humedal.

El Municipio de Mosquera es abastecido a través de dos fuentes. La primera son las aguas subterráneas representadas por los pozos Centro y Siete Trojes; y la segunda, se da a través de la compra de agua en bloque a la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá (EAAB), donde la fuente de captación de agua es el río Bogotá y el tratamiento es realizado en la planta de tratamiento Tibitoc.

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

Economía

El municipio cuenta con una importante actividad agrícola en la que se destaca la ganadería lechera.

Su

crecimiento

ha

sido

notable

en

como espinacas, coliflor, lechuga, zanahoria, apio, ajos, papa y arveja entre

los

cultivos

otras.

Se

ha

tecnificado la siembra y recolección. Aunque en Mosquera se cultivan flores como en el caso de Funza y Madrid, Mosquera se destaca más en el cultivo de verduras. En ganadería se explota la raza Holstein y Normanda, para lechería y carnes, la cría y ceba de especies menores como cerdos y pollos.

Algunos factores para mejorar la economía son nuevos proyectos que pretender generar 4500 empleos directos y 1000 indirectos la tracción de industrias y empresas que se ubicaran en 83 lotes del municipio, se necesitan nuevas infraestructuras de alcantarillado es necesario mejorar la cobertura para ciertos sectores.

2

2

DANE, 2005. Censo General 2005 [en línea], de https://www.dane.gov.co.

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UNIDAD 2. SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO

CICLO INTEGRAL DEL AGUA

El ciclo integral del agua es el recorrido que realiza el agua desde su lugar de captación hasta llegar a los usuarios, y así mismo, el recorrido que realiza para reintegrarse en la naturaleza de nuevo; de tal manera que cumpla con el ciclo hidrológico o ciclo del agua tal como se da en la naturaleza.

El siguiente esquema representa las fases de actuación del ciclo integral del agua:

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FUENTES DE ABASTECIMIENTO

Son todas las fuentes de aguas de tipo superficial o subterráneo, aunque algunas veces se pueden considerar como fuentes las aguas lluvias y el agua de mar. Para la selección idónea de la fuente de abastecimiento, cualquiera sea su tipo, hay que tener en cuenta varios aspectos, como lo son:



La calidad de agua de la fuente y las condiciones sanitarias, las cuales se ven regidas por las Normas Técnicas Colombianas o en su defecto por los métodos estándar: Standard Métodos for the Examination of Water and Waste Water.



La topografía y geología del terreno, que garantice una construcción, operación y mantenimiento de manera confiable, segura y económica, sin que esto afecte el medio ambiente.



Además de estas características, es indispensable un estudio hidrológico que garantice que dicha fuente de agua posea un caudal mayor al caudal de diseño en cualquier época del año para garantizar un suministro de agua continuo; de no ser así, debemos recurrir a otra fuente de agua que cumpla con estas condiciones mínimas.

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AGUAS METEÓRICAS

Las aguas meteóricas o aguas lluvias se consideran aguas potables, aunque las que provienen de la nieve derretida se consideran de menor calidad pues suelen contaminarse al estar depositada sobre el suelo.

Las aguas lluvias no sufren gran alteración durante su recorrido por la atmósfera, de la cual recogen mínimas cantidades de contenido bacteriano. Por otro lado, las aguas meteóricas que se precipitan sobre el suelo sufren una participación triple influenciada por la temperatura, viento y humedad del aire: una porción se, otra se escurre por la superficie del suelo y otra termina infiltrándose formado depósitos subterráneos.

Se recurre a esta fuente cuando faltan otros recursos y también en establecimientos rurales y pequeñas instalaciones, para lo cual se considera indispensable:



Estudios de climatología y geotecnia.



Las condiciones topográficas.



La composición geológica del suelo.



Temperatura, viento y humedad del aire.

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AGUAS SUPERFICIALES

Dentro de las de tipo superficial encontramos los ríos, quebradas, lagos, lagunas y embalses de almacenamiento, y excepcionalmente aguas lluvias y agua de mar.

Así mismo, las aguas que se encuentran en la superficie se pueden clasificar en dos categorías distintas:



Aguas loticas o Corrientes de agua, las cuales presentan un movimiento continúo por acción de la gravedad hasta ser vertidos en el mar.



Aguas lenticas o Aguas estancadas, las cuales se acumulan en senos naturales formando grandes depósitos.

Especificaciones de la captación

Independientemente del tipo de captación que debamos usar, es de gran importancia garantizar la seguridad y estabilidad de la captación en cuanto a su funcionamiento y mantenimiento, para que esta no se vea afectada por la topografía y geología del terreno y cumplan con las condiciones mínimas de diseño además de resultar lo más económico posible sin afectar los parámetros básicos de calidad. Por otro lado, resulta indispensable que se encuentre suficientemente alejado de toda fuente de contaminación, aguas arriba de las Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil - 20 -

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regiones habitadas, de las descargas de aguas residuales domésticas y/o las descargas de aguas residuales industriales. También es aconsejable evitar la desviación del cauce, como también que la captación no interfiera con ningún tipo de infraestructura existente ni de navegación.

En el caso de los ríos, es preferible ubicar las captaciones en tramos rectos para evitar erosiones y sedimentaciones, embanques o asolves. De no ser posible ubicar la captación en una zona recta, debe situarse en la orilla externa de una curva en una zona donde no haya evidencias de erosión por causa del curso de agua.

En el caso de lagos y lagunas, al igual que en embalses, la captación debe localizarse de modo que pueda proporcionar agua de la mejor calidad posible, donde el agua se encuentre lo menos

turbia

posible

o

con

contenidos

orgánicos

descompuestos,

desechos,

microorganismos; que dificulten la operación de la estructura de toma y aumenten los costos del tratamiento del agua potable.

Captaciones Superficiales (Bocatoma)



Toma lateral

Este tipo de captación se utiliza en ríos caudalosos y de gran pendiente y con reducidas variaciones de nivel a lo largo del período hidrológico. Para tal caso, la estructura debe ser ubicada en la orilla del rio y a una altura conveniente sobre el fondo.

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

Toma sumergida

Captación de agua que se realiza en causes con márgenes muy extendidas, y navegables. La estructura que se realice para la toma no debe afectar las navegaciones que se realizan en dicho curso.



Captación flotante con elevación mecánica

En el caso que se presente un cauce de agua con variaciones importantes de nivel pero que conserve un volumen o caudal mínimo considerable, resultaría económico hacer una captación flotante anclada al fondo o a una de las orillas.



Captación móvil con elevación mecánica

Resulta económico este tipo de captación para ríos que presenten gran caudal a pesar de que su periodo hidrológico sea muy variable. La captación sobre una plataforma móvil debe apoyarse en rieles inclinados en la orilla del río y accionada por poleas diferenciales fijas.



Captación mixta

Para el caso de cursos de gran variación en su caudal y de su trayecto como tal, sería conveniente analizar la posibilidad de construir una captación mixta que opere a la vez como captación sumergida y captación lateral.



Toma de rejilla

Es común en terrenos montañosos con ríos de caudales relativamente pequeños. La estructura, ya sea en canal o con tubos perforados localizados en el fondo del cauce, debe ser Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil - 22 -

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perpendicularmente a la dirección de la corriente y contar con una rejilla metálica para retener materiales de acarreo de cierto tamaño.



Presa de derivación

Se utiliza en ríos angostos; la presa tiene como objetivo elevar el nivel del agua cuando se presentan prolongadas épocas de niveles bajos de modo que éste garantice una altura adecuada y constante sobre la boca de captación.



Cámara de toma directa

Se utiliza esta captación cuando se cuenta con cauces con un nivel de aguas estable durante todo el período hidrológico y pequeños ríos de llanura.



Muelle de toma

Preferiblemente para cauces que cuenten con diferentes obras costaneras, tales como muelles, puentes y demás. Se recomienda en el caso de ríos con variaciones substanciales del nivel del agua.



Otras captaciones

De no contar con fuentes superficiales o fuentes subterráneas cercanas a las zonas por abastecer, podrán utilizarse otro tipo de captaciones:

1. Captación directa de aguas lluvias.

2. Captación por evaporación natural de agua de mar.

3. Captación por desalinización de agua de mar.

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AGUAS SUBTERRÁNEAS

Las fuentes de agua subterránea pueden ser superficiales o subálveas y acuíferas. Su explotación puede realizarse mediante pozos profundos, pozos excavados, manantiales o galerías de filtración.

El agua subterránea es suministrada en su mayoría para usos agrícolas, industriales, y ambientales, y también como fuente de suministro de agua potable. Actualmente el agua subterránea comprende aproximadamente del 25% al 40% de toda el agua potable de la Tierra.

Captaciones Subterráneas Por lo general se realizan mediante pozos de bombeo, los cuales consisten en una estructura utilizada para la captación de agua subterránea. Para este tipo de captación, es importante seguir una serie de recomendaciones para su buen uso y manejo: 1. No deben ubicarse en terrenos que tiendan a inundarse.

2. En terrenos planos se recomienda una plataforma al rededor del pozo mediante un relleno.

3. No deben ubicarse cerca de cualquier fuente de contaminación tales como pozos sépticos, letrinas, caños de aguas negras, rellenos sanitarios, entre otros.

4. Debe incluir un sistema de protección que impida el paso de todo tipo de animales.

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Así mismo, existen diferentes tipos de pozos, dentro de los que encontramos:



Pozos Excavados

Su profundidad varía entre los 3.5 metros y los 10 metros, y su diámetro entre los 0.8 y 1.5 metros. No son muy recomendables dada su poca profundidad, lo que facilita su contaminación, por lo cual se recomienda revestirlo en la parte superior con metal, concreto, tubos de cemento o gres, o ladrillo en los primeros 3.5 metros.



Pozos Barrenados o Taladrados

Como su nombre lo indica, se utilizan barrenos o taladros (manual o mecánico), por lo que son de menos diámetro que los excavados, pero al igual que estos, deben ser revestidos para su protección.



Pozos hincados

Se obtienen enterrando una tubería de 2” por lo general de hierro forzado, golpeándola con un mazo o martinete hasta alcanzar una profundidad aproximada a los 25 metros en suelos blandos.



Pozos Perforados

Es el más adecuado para abastecer a poblaciones de mayor tamaño, son de gran profundidad, del orden de los 150 metros, y es el único apto para cualquier formación geológica. Se realizan tres tipos de perforación: Percusión, hidráulica rotatoria, o percusión y rotación.

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UNIDAD 3. NIVEL DE COMPLEJIDAD Y ESTIMACIÓN DE LA POBLACIÓN

Para poder definir el nivel de complejidad del sistema, es necesario estimar la población teniendo en cuenta la demanda actual recopilada a través de los censos realizados y la proyección de la demanda futura, para lo cual se cuenta con diferentes métodos.

El RAS2000establece para todo el Territorio Nacional los siguientes niveles de complejidad:

TABLA No.1- NIVEL DE COMPLEJIDAD 3 NIVEL DE COMPLEJIDAD

POBLACION (HAB)

Bajo

< 2500

Medio

2500 – 12500

Medio – Alto

12500 – 60000

Alto

>60000

3

República de Colombia, Ministerio de Desarrollo Económico, Dirección de Agua Potable y Saneamiento Básico. Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico RAS – 2000.Titulo B, Sistemas de Acueductos. Sección II. Bogotá D.C. 2000.

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COMPORTAMIENTO DE LA POBLACIÓN

Cuando se trata de estimar la población futura, se debe tener en cuenta las diferentes características propias de los habitantes en el pasado y en el presente, en el ámbito social, cultural y económico, así como su posible desarrollo; teniendo gran influencia el turismo, la industria y el comercio. _Independientemente del factor industrial y comercial, la población presentará un crecimiento con un espacio y una oportunidad económica limitada. El crecimiento de la población se representa en tres etapas:

AB: Crecimiento geométrico: Crecimiento temprano con índice creciente.

BC: Crecimiento lineal: Crecimiento intermedio con índice constante.

CD: Crecimiento Logarítmico: Crecimiento tardío con índice decreciente.

D: Población de saturación

4

4

LÓPEZ CUALLA, R (2003), Elementos de Diseño para Acueductos y Alcantarillados, Colombia. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería.

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Teniendo en cuenta este comportamiento, es que se derivan los diferentes métodos para estimar la población futura, tomando como base la información recopilada por medio de los censos poblacionales; Para tal fin, se exponen los siguientes métodos, donde,

es la

población (hab) correspondiente al año para el que se quiere proyectar la población,

es la

población (hab) correspondiente al último año censado con información, (hab) correspondiente al censo inicial con información, último año censado con información, información y

es la población

es el año correspondiente al

es el año correspondiente al censo inicial con

es el año al cual se quiere proyectar la información.

Método Lineal o Aritmético

Este método supone un crecimiento constante de la población, es decir, que la población aumenta o disminuye en el mismo número de personas., lo que demográficamente no se cumple ya que por lo general las poblaciones no aumentan numéricamente en la misma magnitud a lo largo del tiempo.

Este método se describe por medio de la siguiente ecuación:

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Donde Ka es la tasa de crecimiento

Método Geométrico

El método geométrico parte de la suposición que la población crece a una tasa constante, lo cual significa que aumenta proporcionalmente lo mismo en cada período de tiempo, pero en número absoluto y así las personas aumentan en forma creciente.

El método se define mediante la siguiente expresión:

Donde r es la tasa de crecimiento anual en forma decimal.

(

)

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Método Exponencial

En este caso se debe disponer de datos de la población referida a tres o más fechas pasadas; a lo que se observa una tendencia que no corresponde a una línea recta, ni a una curva geométrica o exponencial.

Este método corresponde a la ecuación:

Donde k es la tasa de crecimiento de la población la cual se calcula como el promedio de las tasas calculadas para cada par de censos, así:

Donde

es la población del censo posterior,

el año correspondiente al censo posterior,

es la población del censo anterior,

es

es el año correspondiente al censo anterior.

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Método Gráfico

Este método se utiliza cuando no se cuenta con la información suficiente o esta es poco confiable, de tal forma que los resultados obtenidos por los otros métodos tal vez no sean los correctos. Por tal motivo se procede a hacer una comparación grafica con otros tres municipios, los cuales: 

Un primer municipio debe estar dentro de la misma región, con desarrollo, clima y tamaño similar al del municipio en estudio y del cual se posea información confiable en cuanto a su crecimiento poblacional.



El otro municipio también debe ser de la misma región, con desarrollo y clima similar al del municipio en estudio, y además debe contar con una población mayor al municipio de nuestro interés.



El tercer municipio debe ser de otra región del país con un número de habitantes mayor al del municipio en estudio y con un desarrollo y clima similar.

Ejemplo de Aplicación

Tomando como referencia los datos poblacionales de censos realizados en años anteriores del municipio de Mosquera, se tiene:

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MOSQUERA Año Censado No. Habitantes 1951

4180

1964

7365

1973

7396

1986

10912

1993

20440

Método Lineal

Hallar la tasa de crecimiento Ka para cada intervalo de tiempo, así:

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. . .

Después de calcular Ka, se realiza la proyección de la población para cada año, hasta llegar al año al que se quiere proyectar la población final. En este caso se hará cada cinco años, pero se puede hacer en diferentes intervalos de tiempo según su criterio; tenga en cuenta que entre menor sea el intervalo, mayor precisión en los resultados. Entonces:

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. . .

Luego se promedia para dicho año las poblaciones obtenidas

Se repite el proceso para cada año a proyectar (2008, 2013,…2033), teniendo en cuenta que cambia el último valor censado, tomando como referencia los datos obtenidos del año inmediato anterior:

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Método Geométrico

El primer paso es calcular r, para cada año censado:

(

(

)

)

. . .

(

)

El siguiente paso es proyectar la población para cada año con las diferentes tasas de crecimiento r:

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. . .

Se promedian los datos obtenidos del año para obtener una proyección final de dicho año:

Repita el proceso para los diferentes años a proyectar, recuerde que cambia el último valor censado, tomando como referencia los datos obtenidos del año inmediato anterior:

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Año 1951 1964 1973 1986 1993 Promedio

MOSQUERA 4180 7365 7396 10912 20440

r 0,0385 0,0358 0,0521 0,0938

2003 29826 29063 33980 50104

0,06

35744

Método geométrico 2008 2013 36030 43523 34656 41325 43812 56489 78446 122821 48236

66039

2018 52575 49277 72834 192295

2023 63510 58759 93909 301069

2028 76719 70066 121082 471372

2033 92675 83549 156117 738008

91745

129312

184810

267587

Método Exponencial

Calcular la tasa de crecimiento poblacional para cada año censado:

. . .

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Se promedia la tasa:

Ahora, si se realiza la proyección de cada año, así:

. . .

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Año 1951 1964 1973 1986 1993 Promedio

MOSQUERA 4180 7365 7396 10912 20440

Kg (ha/año)

2003 35069

0,0436 0,0005 0,0299 0,0897 0,0409

Método Exponencial 2008 2013 43028 52793

35069

43028

52793

2018 64773

2023 79473

2028 97508

2033 119636

64773

79473

97508

119636

Después de proyectar la población por los diferentes métodos, se procede a hacer un promedio de estos para obtener la población proyectada final.

Año 2003 2008 2013 2018 2023 2028 2033

Lineal 27568 31133 34697 38261 41825 45389 48953

Población Proyectada geométrico Logaritmico 35744 35069 48236 43028 66039 52793 91745 64773 129312 79473 184810 97508 267587 119636

Promedio 32794 40799 51176 64927 83537 109236 145392

300000 250000

Población

200000

Linel Geométrico

150000

Logarítmico

100000

Promedio

50000 0 1940

Historica

1960

1980

2000

2020

2040

Años

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Método Aritmético

En caso de no contar con información del municipio, se pone en marcha el método aritmético, tomando censos de otros municipios como lo explico el método anteriormente:

Método de comparación gráfica MOSQUERA BOJACA FUNZA 4180 2137 5346 7365 2617 10659 7396 2967 16833 10912 3276 24662 20440 4846 37774 7531 5894 9854 8010 6277 10495 8489 6661 11137 8969 7044 11779 9448 7427 12420

Año 1951 1964 1973 1986 1993 2002 2007 2012 2017 2022

MADRID 6060 11850 16934 23598 39212 6846 7258 7671 8083 8496

50000 P o b l a c i ó n

40000 30000

Población A

20000

Población B Población C

10000

Población D 0 1940

1960

1980

2000

2020

2040

Tiempo (Años)

Una vez obtenida la proyección de datos de la población, se debe clasificar el sitio con un nivel de complejidad.

Para el caso de Mosquera, según la población proyectada, le corresponde un nivel de complejidad Alto.

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UNIDAD 4. CONSUMO DE AGUA

El consumo de agua es la herramienta fundamental para poder determinar el caudal de diseño del acueducto, pues se define como el volumen de agua utilizado por una persona en un día.

Es importante tener en cuenta antes de cualquier cálculo, una serie de factores que influyen en el consumo de una población:

1. Temperatura 2. Calidad del agua 3. Características Socioeconómicas 4. Servicio de Alcantarillado 5. Presión en la Red 6. Administración 7. Medidores y Tarifas 8. Tipo de Consumo (Domestico, Industrial-Comercial, Público)

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DOTACIÓN NETA

Es la cantidad mínima de agua que se requiere por habitante para satisfacer sus necesidades básicas sin considerar las pérdidas en los sistemas de abastecimiento.

La dotación se debe calcular en función de las características propias de la población POT y solo se utilizará la RAS en caso de que no se cuente con dicha información.

Según el RAS 2000, depende del nivel de complejidad del sistema y así mismo se establecen unos valores mínimos y máximos, los cuales se resumen en la TABLA No.2:

TABLA No.2- DOTACION NETA SEGÚN EL NIVEL DE COMPLEJIDAD. -5 Nivel de Complejidad del

Dotación Neta mínima

Dotación Neta máxima

sistema

(L/hab/día)

(L/hab/día)

Bajo

100

150

Medio

120

175

Medio-Alto

130

-

Alto

150

5

República de Colombia, Ministerio de Desarrollo Económico, Dirección de Agua Potable y Saneamiento Básico. Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico RAS – 2000.Titulo B, Sistemas de Acueductos. Sección II. Bogotá D.C. 2000.

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PÉRDIDAS

Es la diferencia que se obtiene entre el volumen de agua producido y el volumen de agua utilizado por los usuarios. Existe un indicador de pérdidas de agua conocido como IANC “Índice de agua No contabilizada”, de uso financiero y operacional.

Dichas perdidas se pueden dar por pérdidas físicas y/o pérdidas técnicas, tales como fugas en la red de distribución, tanques de almacenamiento, errores de mediciones, entre otros; o también se pueden presentar por pérdidas comerciales debidas a conexiones clandestinas y deficiencia en la cobertura de la medición del consumo.

Cabe señalar que el nivel de pérdidas aceptables es del 30% y representa un valor agregado que incluye las pérdidas técnicas y las pérdidas comerciales sin discriminar el nivel aceptable específico para cada tipo de pérdida.

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El porcentaje de pérdidas también depende del nivel de complejidad del sistema, el cual se resume en la TABLA No.3:

TABLA No.3-PORCENTAJE MAXIMO ADMISIBLE DE PERDIDAS 6 Nivel de Complejidad del Sistema Bajo

Porcentaje Máximo Admisible de Perdidas para Dotación Bruta 40%

Medio

30%

Medio-Alto

25%

Alto

20%

Según la Comisión de Regulación de Agua Potable y Saneamiento Básico, expone un nivel de pérdidas aceptables para el cálculo de la prestación de los servicios públicos domiciliarios y de acueducto y alcantarillado, dada por la siguiente expresión:

Dónde: p: Nivel de perdidas aceptables regulatoriamente (%), el cual es particular a cada sistema. : Nivel de pérdidas técnicas aceptable (%), el cual es particular a cada sistema. : Nivel de perdidas comerciales aceptable equivalente al 7%.

6

República de Colombia, Ministerio de Desarrollo Económico, Dirección de Agua Potable y Saneamiento Básico. Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico RAS – 2000.Titulo B, Sistemas de Acueductos. Sección II. Bogotá D.C. 2000.

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Existen varias índices encargados del estudio de estas pérdidas: 

Una de ellas se encarga de medir el número de conexiones del servicio, la presión promedio y el desempeño técnico de los prestadores. A esta entidad se le conoce como ILI “Infrastructure Leakage Index” o Índice de Fugas de Infraestructura, y se define por:

Dónde:

PRT: Perdidas reales (Técnicas) totales.

PRI: Perdidas reales (Técnicas) inevitables.

“Los resultados de este cálculo oscilan entre 1 y hasta mayores de 16, donde un valor menor del índice significa que la gestión del prestador es adecuada, en la medida en que el valor de pérdidas totales técnicas se aproxime al valor reconocido de pérdidas técnicas inevitables”.



ISUF “Índice de Agua Suministrada por Usuario Facturado”, el cual suministra el valor del volumen de agua por suscriptor que un prestador debe producir para abastecerlo. Se define mediante la siguiente ecuación:

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Dónde:

ISUF: Volumen de Agua suministrado por suscriptor por mes : Agua producida en el sistema de acueducto en el año base. : Número de suscriptores de acueducto en junio del año base.



ICUF “Índice de Agua Consumida por Usuario Facturado”, es el volumen de agua facturado por suscriptor, y está dado por:

Dónde

ICUF: Volumen de agua facturado por suscriptor por mes. : Volumen de agua facturado en el año base. : Número de suscriptores de acueducto en junio del año base.

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

IPUF “Índice de pérdidas por usuario facturado” representa las pérdidas de agua por suscriptor por mes, sin importar su distribución entre técnicas y comerciales, además, este indicador incluye el volumen correspondiente a los consumos autorizados no facturados por parte de los prestadores. Se expresa de la siguiente manera:

7

7

MINISTERIO DE VIVIENDA, COMISION DE REGULACION DE AGUA POTABLE Y SANEAMIENTO BASICO. Nivel de pérdidas aceptable para el cálculo de los costos de prestación de los servicios públicos domiciliarios de acueducto y alcantarillado. [en línea] de http://cra.gov.co/.

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DOTACIÓN BRUTA O CONSUMO TOTAL

La Dotación Bruta está dada por la siguiente ecuación:

CAUDAL DE DISEÑO

Para el correcto diseño de las diferentes estructuras hidráulicas, es necesario determinar cuál es el caudal apropiado, el cual debe combinar las necesidades de la población de diseño y los costos de la construcción de todas las estructuras requeridas desde la captación hasta su distribución. Se trabaja con tres diferentes caudales:

•

Caudal medio diario (Qmd)

•

Caudal Máximo diario (QMD)

•

Caudal Máximo horario (QMH) Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil - 48 -

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“Cuando el sistema cuenta con una estructura de regulación del caudal como lo es un tanque de almacenamiento, se diseña con el caudal máximo diario QMD; de no ser así, entonces el acueducto se diseñara con el caudal máximo horario QMH”

Caudal Medio Diario Qmd

Está relacionado con la demanda bruta calculada y corresponde al promedio de los consumos diarios en el periodo de un año. Se da por la siguiente ecuación:

Caudal Máximo Diario QMD

Es el consumo máximo registrado durante 24 horas durante el período de un año. Se determina mediante la siguiente ecuación:

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Donde

lo podemos obtener de acuerdo al nivel de complejidad del sistema como se indica

en la TABLA No.4.

TABLA No.4-COEFICIENTE DE CONSUMO MAXIMO DIARIO

8

Nivel de Complejidad del Sistema Bajo

1.30

Medio

1.30

Medio-Alto

1.20

Alto

1.20

Caudal Máximo Horario QMH

Dicho caudal está relacionado con el consumo máximo registrado durante una hora en el período de un año. Se calcula bajo la siguiente ecuación:

8

República de Colombia, Ministerio de Desarrollo Económico, Dirección de Agua Potable y Saneamiento Básico. Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico RAS – 2000.Titulo B, Sistemas de Acueductos. Sección II. Bogotá D.C. 2000.

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Donde

es la constante dada según el nivel de complejidad y el tipo de red de distribución

según la TABLA No.5.

TABLA No.5-COEFICIENTE DE CONSUMO MAXIMO HORARIO Nivel de

9

Red de Distribución

Red Secundaria

Red Matriz

Bajo

1.60

-

-

Medio

1.60

1.50

-

Medio-Alto

1.50

1.45

1.40

Alto

1.50

1.45

1.40

Complejidad del Sistema

Ejemplo de Aplicación



Dotación Neta

Para el municipio de Mosquera, al cual le corresponde un nivel de complejidad alto, se obtiene una Dotación Neta de 150 L/hab/día, según la Tabla No. 2.

9

República de Colombia, Ministerio de Desarrollo Económico, Dirección de Agua Potable y Saneamiento Básico. Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico RAS – 2000.Titulo B, Sistemas de Acueductos. Sección II. Bogotá D.C. 2000.

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

Perdidas

Se obtienen unas pérdidas del 20% para el municipio de Mosquera según la Tabla No.3, dado el Nivel de Complejidad.



Dotación Bruta o Consumo Total



Caudal medio diario (Qmd)

L/ s Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil - 52 -

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

Caudal máximo diario (QMD)

L/ s



Caudal máximo horario (QMH)

L/ s



Caudal de Diseño:

Suponiendo que el Sistema contara con tanque de regulación, se tomara como caudal de diseño el Caudal Máximo Diario.

Qdiseño = QMD=378,62 L/s.

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UNIDAD 5. DISEÑO DE OBRAS DE CAPTACIÓN

Para el diseño de las obras de captación se debe tener en cuenta la ubicación de estas, buscando un lugar estable y sin problemas de erosión; así mismo hacer uso de diferentes estructuras que garanticen el buen funcionamiento de estas obras como por ejemplo muros de contención de ser necesario.

Diseño de la Presa

Siempre y cuando se cumpla la condición:

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CONCEPTO Caudal de la Presa Valor de la Lamina

FÓRMULA

OBSERVACIÓN

⁄

(

Despejando H de Qpresa

)

Corrección de Longitud

n: número de contracciones laterales Si V esta entre 0,3 y 3 m/s, el ancho es correcto; de lo contrario entramos a verificar pendientes o ancho de la presa.

Velocidad

Diseño del Canal de Aducción

CONCEPTO Alcance filo superior, m.

FÓRMULA

Alcance filo interior, m.

⁄

Ancho del canal de aducción.

⁄

OBSERVACIÓN ⁄

⁄

V: velocidad del rio, m/s.

H: profundidad de lámina de aducción.

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Diseño de la Rejilla

CONCEPTO Caudal

FÓRMULA

OBSERVACIÓN

An: área neta de la rejilla. Área neta de la rejilla.

A: separación entre barrotes. longitud de rejilla

Área neta de la rejilla.

Numero de orificios entre barrotes. área neta de la rejilla final velocidad entre barrotes,

N: numero de orificios entre barrotes.

B: diámetro de barrote.

Lr: longitud de rejilla.

K: constante de 0,9 para flujo paralelo a sección.

Vb: velocidad entre barrotes, máximo 0,2 m/s.

longitud de rejilla

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Niveles en el Canal de Aducción

CONCEPTO Profundidad Critica, Profundidad aguas abajo

FÓRMULA

OBSERVACIÓN ⁄

(

)

Longitud del Canal Profundidad Aguas Arriba

i: pendiente ⁄

*

(

) +

Velocidad del Agua al final del Canal

Diseño de Cámara de Recolección

CONCEPTO Alcance filo superior, m.

FÓRMULA

Alcance filo interior, m.

⁄

⁄

OBSERVACIÓN ⁄

⁄

V: velocidad del rio, m/s.

Ancho del canal de aducción.

: profundidad critica

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Altura de muros de Contención

CONCEPTO Altura muro de Contención

FÓRMULA ⁄

(

)

Desagüe del Caudal de Exceso

FÓRMULA

OBSERVACIÓN √ ⁄

(

)

⁄

(

Cd: coeficiente de descarga.

)

Cotas

FÓRMULA

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Canal de Conducción

FÓRMULA

Ejemplo de Aplicación

Se sabe que el municipio de Mosquera es abastecido por la cuenca alta el rio Bogotá.

Cuenca alta. El río Bogotá nace en el páramo de Guacheneque en las cercanías del municipio de Villapinzón -Cundinamarca a una altura de 3.250 msnm, recorre la provincia de Almeidas y la Sabana de Bogotá de norte a sur viajando por los municipios de Villapinzón, Chocontá, Suesca, Sesquilé, Gachancipá, Tocancipá, Cajicá, Chía, Cota, Funza, Mosquera y Soacha.

En la cuenca alta el río tiene un caudal mínimo de 10 m³/s, un caudal medio de 13,5 m³/s y un caudal máximo de 17 m³/s.

315,52 l/s < 10000 l/s

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

Diseño de la Presa

La lámina de agua en las condiciones de diseño es de:

⁄

(

(

)

⁄

⁄

)

Corrección por las dos contracciones laterales es:

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Velocidad del rio sobre la presa:

⁄

⁄



⁄

⁄

⁄

Canal de Aducción

El ancho del canal de aducción será:

⁄

⁄

⁄

⁄

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⁄

⁄

⁄

⁄



Diseño de Rejilla

⁄

⁄

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La longitud de la rejilla será:

El número de orificios es de:

Se adoptan 84 orificios separados 5cm entre sí, con lo cual se tienen las siguientes condiciones finales:

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⁄



Canal de Aducción

Nivel de agua en el canal de aducción aguas abajo:

⁄

(

)

⁄

(

)

Nivel de agua en el canal de aducción aguas arriba:

⁄

*

(

) +

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⁄

*

(

) +

Velocidad del agua al final del canal:

⁄

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

Cámara de Recolección

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄



Altura Muros de Contención

⁄

(

)

(

)

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

Caudal de Exceso

√

⁄

(

)

(

)

√

⁄

(

)

(

)

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

Cotas



Canal Conducción

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UNIDAD 6. ESTACIONES DE BOMBEO

FUNDAMENTOS SOBRE BOMBAS

10

10

IKKARO. Inventos y Experimentos Caseros. Bombas Hidráulicas. [en línea] de http://www.ikkaro.com/ Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil - 69 -

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Son aquellos equipos que tienen la función de aportar la energía a un fluido en forma de presión transformando la energía mecánica en energía cinética.

Básicamente se utiliza en instalaciones donde se pretende suministrar agua con unos valores mínimos de presión a zonas elevadas.

En ese orden de ideas, la presión es el resultado de la aplicación de una fuerza sobre unidad de área (Kg/cm2, Lb/in2, etc.)

Para el caso de las bombas, la presión es indicada en ¨metros columna de agua (m.c.a), sabiendo que lo que realmente ejerce presión sobre cada centímetro de agua es la altura de la columna de agua.

En cuestiones de bombeo: 1 (mca) = 0,1 Kg/cm2 = 1.42 psi

Perdidas por Fricción Uno de los factores que debemos tener en cuenta en el sistema de bombeo, son las pérdidas por fricción, pues es el fenómeno donde el agua pierde altura a través de la tubería debido a la fricción.

Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil - 70 -

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Esta pérdida depende de:



Diámetro de la tubería



Largo de la tubería



El estado de la tubería



El volumen de la corriente de agua (GPM)



La velocidad del agua en el tubo.

Elementos del Grupo de Bombeo Básicamente el sistema está formado por los siguientes elementos:

 Grupo Moto-Bomba  Calderín (regulación)  Conexión de aspiración  Conexión de impulsión  Válvulas de retención (regulación)  Sensores de presión (transductores y presostatos)  Manómetro  Cuadro eléctrico de mando  Sensores de nivel (si existe depósito de aspiración)

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TIPOS DE BOMBAS

Existen diferentes tipos de bombas, las cuales se pueden clasificar en:

Según Disposición de Eje



Bombas centrífugas horizontales Se identifican por que el eje del motor está alineado con el eje de la bomba y dispuestos ambos en horizontal; situándose la entrada en la horizontal y la salida en la vertical



Bombas centrífugas verticales En este tipo de bombas el eje del motor de la bomba está en posición vertical, lo que admite orificios de entrada y salida formando180° o 90º como en las bombas sumergidas.

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Según su Funcionamiento



Turbo-bombas En este tipo de bombas, la energía del fluido sufre un incremento por un elemento rotativo llamado rodete. De acuerdo a la trayectoria que persigue el fluido a lo largo del rodete, las turbo-bombas se pueden clasificar en:



-

Bombas centrífugas: Elevan pequeños caudales a grandes alturas.

-

Bombas axiales: Elevan grandes caudales a alturas reducidas

-

Bombas helicocentrífugas: Elevan caudales moderados a alturas moderadas

De desplazamiento positivo Funcionan por medio de cámaras que se llenan y vacían para conducir el fluido desde la aspiración hasta la impulsión. Su principal uso se da en sistemas oleo-hidráulicos.

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FUNCIONAMIENTO DE BOMBAS

La bomba puede ser conectada a la tubería de alimentación de dos maneras distintas:



Aspiración con depósito atmosférico

Hb 



P2 P1 P2     

Aspiración directa de red (sólo cuando se permita)

Hb 

P2 P1   

Curvas de Funcionamiento El funcionamiento de una bomba se comprende por medio de unas curvas características, las cuales modelan el comportamiento real de una bomba. Por lo general, estas curvas las suministra el fabricante de la bomba.

Estas curvas se pueden representar de dos maneras comunes: Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil - 74 -

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

Curva de altura: Representa la relación de la altura aportada por la bomba en función del caudal suministrado.



Curva de rendimiento: Modela el rendimiento en función del caudal corrido por la bomba. Este rendimiento manifiesta la energía desaprovechada en el bombeo, y por tanto, deberá considerarse al seleccionar el grupo.

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De la zona de trabajo de la bomba, interesa la zona útil, siendo ésta aquélla en la que la bomba mantiene valores de rendimiento aceptables, es decir, los rendimientos por encima del 60%, pero depende en todo caso del tipo de bomba e instalación.

Curvas Resistentes de Instalación Representa hidráulicamente la instalación teniendo en cuenta el desnivel geométrico a vencer y las pérdidas de carga en aspiración e impulsión. Las pérdidas son función del caudal trasegado y tiene en cuenta las variaciones del consumo de la red.

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Punto de Funcionamiento Una vez obtenidas la curva de funcionamiento y la curva resistente de instalación, podemos encontrar el punto de funcionamiento de la bomba, punto en el cual, estas dos curvas se intersectan.

SELECCIÓN DE UNA BOMBA

A la hora de seleccionar una bomba, se requieren unos datos de entrada básicos:



Cantidad de agua necesaria



Profundidad (Desde que lugar se toma el agua)



Altura (Hasta donde piensa llevar el agua)



Presión necesaria.

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Curvas Comerciales

Como se mencionó anteriormente, el fabricante de bombas debe suministrar las llamadas curvas de bombas comerciales, de las cuales se seleccionara la que mejor se ajuste al punto de funcionamiento previsto.

Una vez encontrado el punto de funcionamiento se debe realizar:

1. Preselección de la bomba o modelo a partir de los datos de caudal y altura que debe aportar (punto de funcionamiento).

2. Selección de la Bomba

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UNIDAD 7. TRANSPORTE DE AGUA-ADUCCION

Es el conducto por medio del cual se transporta el agua cruda, es decir sin algún tipo de tratamiento, por gravedad o por bombeo desde el lugar de captación hasta la planta de tratamiento para el suministro de agua a lo largo del sistema.

Puede estar dada por:



Lamina Libre, cuando el agua es transportada por presión atmosférica mediante canales o tuberías.



Presión, cuando el agua es transportada por gravedad o bombeo, normalmente por medio de tuberías.

Por lo general, el más usado es el de lámina libre, utilizando conductos cerrados de sección circular.

Condiciones de Diseño



Periodo y Caudal de Diseño.

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El periodo de diseño oscila entre los 15 y los 30 años, dependiendo del nivel de complejidad del sistema.

TABLA No.6 – PERIODO DE DISEÑO SEGÚN EL NIVEL DE COMPLEJIDAD DEL SISTEMA 11 Nivel de Complejidad del Sistema

Periodo de Diseño

Bajo

15 años

Medio

20 años

Medio-Alto

25 años

Alto

30 años

Utilizamos según sea el caso, los siguientes caudales:

-

QMD: Si hay almacenamiento

-

QMH: Si no lo hay

Se deben adicionar perdidas por exfiltración, las cuales comprende máximo un 5% del Qmd; y las de consumo en la planta entre un 3% y un 5% del Qmd.

11

República de Colombia, Ministerio de Desarrollo Económico, Dirección de Agua Potable y Saneamiento Básico. Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico RAS – 2000.Titulo B, Sistemas de Acueductos. Sección II. Bogotá D.C. 2000.

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

Coeficiente de Rugosidad de Manning, n, depende del tipo de material de la tubería.

TABLA No. 7 – COEFICIENTE DE RUGOSIDAD DE MANNING n 12 Material Coeficiente n PVC 0.009 Asbesto cemento 0.010 Cemento mortero 0.013 Cemento pulido 0.011 Concreto áspero 0.016 Concreto liso 0.012 Mampostería 0.015 Piedra 0.025 Piedra sobre mortero 0.035



Longitud de Conducción, entre los 50 y 300 metros.

FORMULA (

OBSERVACIÓN )

Q: caudal, m/s A: área de la sección del flujo, R: radio hidráulico P: perímetro mojado, m.

D: diámetro interno real de la tubería, m.

S: pendiente de la línea de energía, m/m. n: coeficiente de rugosidad de Manning n.

12

LÓPEZ CUALLA, R (2003), Elementos de Diseño para Acueductos y Alcantarillados, Colombia. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería.

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Hallamos la relación

, luego entonces según la Tabla No8., determinamos:

TABLA No. 8 - RELACIONES HIDRÁULICAS PARA CONDUCTOS CIRCULARES (no/n variable) Q/Qo 0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Rel V/Vo d/D R/Ro V/Vo d/D R/Ro V/Vo d/D R/Ro V/Vo d/D R/Ro V/Vo d/D R/Ro V/Vo d/D R/Ro V/Vo d/D R/Ro V/Vo d/D R/Ro V/Vo d/D R/Ro V/Vo d/D R/Ro V/Vo d/D R/Ro

0.00 0.000 0.000 0.000 0.540 0.248 0.586 0.656 0.346 0.768 0.729 0.424 0.896 0.796 0.498 1.007 0.850 0.563 1.079 0.900 0.626 0.136 0.945 0.692 1.175 0.984 0.756 1.202 1.018 0.826 1.212 1.041 0.914 1.172

0.001 0.292 0.092 0.239 0.553 0.258 0.606 0.664 0.353 0.780 0.732 0.431 0.907 0.802 0.504 1.014 0.855 0.570 1.087 0.903 0.632 1.139 0.951 0.699 1.179 0.987 0.763 1.205 1.021 0.835 1.210 1.042 0.920 1.164

0.002 0.362 0.124 0.315 0.570 0.270 0.630 0.672 0.362 0.795 0.740 0.439 0.919 0.806 0.510 1.021 0.860 0.576 1.094 0.908 0.639 1.143 0.955 0.705 1.182 0.990 0.770 1.208 1.024 0.843 1.207 1.042 0.931 1.150

0.003 0.400 0.148 0.370 0.580 0.280 0.650 0.680 0.370 0.809 0.750 0.447 0.931 0.810 0.516 1.028 0.865 0.582 1.100 0.913 0.645 1.147 0.958 0.710 1.184 0.993 0.778 1.211 1.027 0.852 1.204 1.042 0.942 1.136

0.004 0.427 0.165 0.410 0.590 0.289 0.668 0.687 0.379 0.824 0.755 0.452 0.938 0.816 0.523 1.035 0.870 0.588 1.107 0.918 0.651 1.151 0.961 0.719 1.188 0.997 0.785 1.214 1.030 0.860 1.202

0.005 0.453 0.182 0.449 0.600 0.298 0.686 0.695 0.386 0.836 0.760 0.460 0.950 0.822 0.530 1.043 0.875 0.594 1.113 0.922 0.658 1.155 0.965 0.724 1.190 1.001 0.791 1.216 1.033 0.868 1.200

0.006 0.473 0.196 0.481 0.613 0.308 0.704 0.700 0.393 0.848 0.768 0.468 0.962 0.830 0.536 1.050 0.880 0.601 1.121 0.927 0.666 1.160 0.969 0.732 1.193 1.005 0.798 1.219 1.036 0.876 1.197

0.007 0.492 0.210 0.510 0.624 0.315 0.716 0.706 0.400 0.860 0.776 0.476 0.974 0.834 0.542 1.056 0.885 0.608 1.125 0.931 0.672 1.163 0.972 0.738 1.195 1.007 0.804 1.219 1.038 0.884 1.195

0.008 0.505 0.220 0.530 0.634 0.323 0.729 0.713 0.409 0.874 0.781 0.482 0.983 0.840 0.550 1.065 0.890 0.615 1.129 0.936 0.678 1.167 0.975 0.743 1.197 1.011 0.813 1.215 1.039 0.892 1.192

13

13

LÓPEZ CUALLA, R (2003), Elementos de Diseño para Acueductos y Alcantarillados, Colombia. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería.

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0.009 0.520 0.232 0.554 0.645 0.334 0.748 0.720 0.417 0.886 0.787 0.488 0.992 0.845 0.557 1.073 0.895 0.620 1.132 0.941 0.686 1.172 0.980 0.750 1.200 1.015 0.820 1.214 1.040 0.900 1.190

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Verificamos la cota de salida:

Ejemplo de Aplicación

⁄

(

)

(

)

Se toma el diámetro comercial D=12”=0,30m.

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⁄

⁄

Según la Tabla No.8:

⁄

⁄ Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil - 84 -

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UNIDAD 8. OBRAS DE SEDIMENTACION - DESARENADOR

Cuando se habla de obras de sedimentación, se habla de una estructura convencional conocida como desarenador, conformado por un tanque en el cual por acción de la gravedad, se sedimentan aquellas partículas suspendidas en el agua. Es aconsejable que el desarenador se encuentre ubicado lo más cerca posible al sitio de captación del agua.

Condiciones de Diseño



Periodo y caudal de diseño

El periodo de diseño tiende a ser el mismo utilizado en las obras de captación. En el caso del caudal, existen dos posibilidades según sea el caso: Se considera el Qmd si se plantean dos o más unidades; o el QMD si solo hay una unidad. 

Número de Unidades

Se recomienda diseñar como mínimo dos tanques desarenadores con el fin de continuar con el tratamiento en uno de ellos mientras se realizan las labores de mantenimiento y lavado del otro. 

Relación longitud: ancho, L:B

Se recomienda una relación entre 3:1 y 5:1 Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil - 85 -

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

Profundidad mínima y máxima

La profundidad oscila entre 1,50 y 4,50 metros. 

Profundidad de Almacenamiento de Lodos y Pendientes de la placa de Fondo

Es recomendable utilizar una relación de longitud: profundidad de 10:1; la profundidad se comprende entre los 0,75 y 1,50 metros.

Así mismo, las pendientes de fondo están comprendidas entre el 5% y el 8%. 

Periodo de Retención Hidráulico, ϴ

Es el tiempo que tarda una partícula en entrar y salir del tanque, dicho lapso oscila entre los treinta (30) minutos y las cuatro (4) horas. 

Carga Hidráulica Superficial,

Varía entre

Cálculos para el Diseño , teniendo en cuenta el grado n del desarenador: n=1 : Deflectores deficientes o sin ellos. n=2 : Deflectores reguladores n=3 : Deflectores buenos. n= 5 a 8: Deflectores muy buenos. n ->∞ : Caso teórico.

TABLA No.9 – NUMERO DE HAZEM 14 Remoción % Condiciones 87.5 80 75 70 65 60 55 50 n=1 7.00 4.00 3.00 2.30 1.80 1.50 1.30 1.00 n=3 2.75 1.66 0.76 n=4 2.37 1.52 0.73 Máximo Teórico 0.88 0.75 0.50

14

LÓPEZ CUALLA, R (2003), Elementos de Diseño para Acueductos y Alcantarillados, Colombia. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería.

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CONCEPTO

FORMULA

OBSERVACION

Vs: velocidad sedimentación

de

: peso específico de la partícula. (arena:2,65)

: peso específico del fluido. (agua:1,00)

√

: viscosidad cinemática del fluido ⁄

Vertedero de Salida

(

)

⁄

⁄

n: grado desarenador Pantalla de Salida

( )

vol: volumen Pantalla de Entrada

( )

As: área superficial

( )

q: carga hidráulica superficial

( ) ( ( )

)

Vh: horizontal

velocidad

( ) (

Vr: velocidad retención

)

de

( ) ( ) Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil - 87 -

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Ejemplo de Aplicación

Se recomienda diseñar como mínimo dos tanques desarenadores con el fin de continuar con el tratamiento de uno de ellos mientras se realizan las labores de mantenimiento y lavado del otro.

Al tener dos tanques desarenadores, el caudal de diseño es el caudal medio diario.

Qmd = 315 L/s = 0,315

⁄

⁄

Velocidad de sedimentación

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⁄

Suponiendo que H=1.5m, el tiempo que tardaría la partícula de 0.05mm en llegar al fondo seria:

⁄

Periodo de retención hidráulico

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El volumen del tanque será:

⁄

El área superficial del tanque es:

Las dimensiones del tanque serán para

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√

√

La carga hidráulica superficial para este tanque será:

⁄

⁄

⁄

⁄

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La velocidad de sedimentación de la partícula crítica corresponde a la de un diámetro menor:

⁄

√

√

Nota: se remueven partículas del tamaño de 0.03 mm

La velocidad horizontal será:

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La velocidad horizontal máxima será:

⁄

La velocidad de suspensión máxima será:

√

√

⁄

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CALCULO DE LOS ELEMENTOS DEL DESARENADOR

Vertedero de salida:

⁄

(

)

⁄

(

)

⁄

⁄

⁄

⁄

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Pantalla de salida

( )

Pantalla de entrada

( )

( )

Almacenamiento de lodos

( )

(

) Facultad de Ingenierﾃｭa Programa de Ingenierﾃｭa Civil - 95 -

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(

)

( )

(

)

( )

( )

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UNIDAD 9. OBRAS DE ALMACENAMIENTO Y DISTRIBUCIÓN - CONDUCCIÓN

Conducción son todas aquellas líneas encargadas del transporte de agua tratada desde la planta de tratamiento hasta los tanques de almacenamiento o hasta la red de distribución.

En este tramo, se debe tener en cuenta la línea piezométrica para el trazado de la tubería; la cual, de acuerdo a la topografía del terreno se pueden obtener diferentes trazados.

Condiciones de Diseño 

Caudal de Diseño



Material de la Tubería (coeficiente de rugosidad C, clase de tubería, presión de trabajo máximo, espesor de la pared de la tubería).

TABLA No. 10 – COEFICIENTES DE RUGOSIDAD TIPICOS 15 Material de la Tubería C Acero Remachado (nuevo) 110 Acero Remachado (usado) 85 Acero Soldado (nuevo) 130 Acero Soldado (usado) 90 Hierro Fundido (nuevo) 130 Hierro Fundido (15-20 años) 100 Hierro Fundido (>20 años) 90 Concreto (buena terminación) 130 Concreto (terminación común) 120 Asbesto-Cemento 140 Plástico-PVC 150 15

LÓPEZ CUALLA, R (2003), Elementos de Diseño para Acueductos y Alcantarillados, Colombia. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería.

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

Cota de Salida del Desarenador



Cota de Entrada a la Caseta de Cloración



Longitud Horizontal de la Conducción



Longitud Real de la Conducción

CONCEPTO Perdida de Carga Unitaria

Diámetro interno de Tubería

FORMULA

(

)

Ejemplo de Aplicación

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(

)

(

(

)

)

(

) Facultad de Ingenierﾃｭa Programa de Ingenierﾃｭa Civil - 99 -

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√

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UNIDAD 10. SISTEMAS DE ALCANTARILLADO

Además de existir un sistema para el abastecimiento de agua, así mismo debe existir un sistema para la evacuación de aguas de tipo residual y pluvial; el cual recibe el nombre de sistema de alcantarillado. Es fundamental la implementación de dicho sistema, pues sin él se pondría en riesgo la salud de las personas.

Existen varios tipos de agua a tener en cuenta en un sistema de alcantarillado: 

Agua Residuales Domesticas: Son todas aquellas aguas provenientes de instalaciones de tipo doméstico, tales como inodoros, lavamanos, lavadero, y demás elementos de uso cotidiano.



Aguas Residuales Industriales: Son las aguas producto de los diferentes desechos de tipo industrial-manufacturero. Dado su origen, pueden contener sustancias toxicas que deben ser eliminadas.



Aguas Lluvias: Este tipo de aguas son las netamente provenientes de la precipitación pluvial. Debido a la escorrentía sobre las calles, tejados y demás superficies; está expuesta a contener alta cantidad de solidos suspendidos y de alta contaminación.

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Hay que tener en cuenta una serie de factores o características fundamentales para el diseño de un sistema de alcantarillado, como por ejemplo la topografía de la región, la densidad poblacional, el clima, condiciones económicas, entre otras. Teniendo en cuenta dichas características y el tipo de aguas, se clasifican los sistemas de alcantarillado: 

Alcantarillado Sanitario: Diseñado para la recolección de aguas residuales de tipo doméstico e industrial.



Alcantarillado Pluvial: Sistema encargado de la evacuación de las aguas lluvias.



Alcantarillado Combinado: Aquel que recolecta y evacua simultáneamente las aguas residuales domesticas e industriales, y las aguas lluvias.

Como recomendación, se debe implementar un sistema separado y no combinado de ser posible.

Elementos del Alcantarillado 

Colectores o Tuberías



Pozos de Inspección



Cámaras de Caída



Aliviaderos Frontales o Laterales



Sifones Invertidos



Sumideros y Rejillas



Conexiones Domiciliarias Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil - 102 -

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Especificaciones de Diseño

-

Es indispensable que la tubería del acueducto este a una distancia por lo menos de 0.20 metros por encima de la tubería del alcantarillado.

-

La tubería de alcantarillado de aguas lluvias deben estar localizadas por el eje de las calzadas.

-

La tubería del alcantarillado sanitario deben extenderse por el centro de la media calzada.

-

La tubería del alcantarillado debe tener una profundidad mínima de 1 metro.

Solo en ciertos casos se puede tomar una profundidad de 0.80 metros para conexiones domiciliarias donde el trafico sea liviano.

-

La red de colectores debe funcionar por gravedad, de tal forma que las aguas residuales domiciliarias drenen por si solas.

-

Por lo general el cálculo hidráulico de la tubería se diseña bajo las condiciones de flujo uniforme, teniendo en cuenta así la ecuación de Manning:

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CONCEPTO

FORMULA

OBSERVACIÓN V: velocidad media en la sección, m/s.

(

) Q: caudal de aguas,

Alcantarillado Combinado

√

/s.

R: radio hidráulico, m. n: coeficiente de rugosidad de Manning.

S: pendiente de la línea de energía, m/m.

CR: coef. Retorno C: consumo neto agua potable P: numero habitantes

Qi: industrial(0.4-1.5 l/h) Qc: comercial(0.4-0.5 l/h) Qins: institucional(0.4-0.5 l/h)

̅ (

<1000 habitantes

) ̅

Alcantarillado Separativo ̅ (

√ √

̅ (

̅ (

)

)

̅

1000-1 millon habitantes

2.8 l/s<Q<28.3

)

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TABLA No. 10 – COEFICIENTE DE RUGOSIDAD DE MANNING n 16 Material Tubería Coeficiente n Cloruro de polivino 0.009 Asbesto-Cemento 0.012 Concreto reforzado prefabricado 0.013 Gres o concreto simple 0.014 Conductos en mampostería de ladrillo 0.016 Conductos en concreto simple o reforzado 0.015 in-situ con acabo especial de la superficie Conductos en concreto simple o reforzado 0.017 in-situ sin acabo especial de la superficie Canales de concreto simple o reforzado con 0.015 acabado especial de la superficie Canales de concreto simple o reforzado sin 0.016 acabado especial de la superficie Canaletas o cunetas revestidas en concreto 0.017 simple o ladrillo Canales excavados en tierra 0.035 Canales excavados en tierra cubiertos con 0.027-0.050 vegetación Canales excavados en roca 0.035-0.060

El diseño de la red de tuberías se debe hacer teniendo en cuenta el tipo de flujo del caudal, ya sea subcrítico o supercrítico. Para cualquiera de los casos el flujo debe permanecer estable y el Número de Froude debe estar entre el rango de 0.90 a 1.10; el cual se obtiene mediante la ecuación:

√

Dónde:

H: profundidad hidráulica: área del flujo divida en el ancho de la superficie libre.

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LÓPEZ CUALLA, R (2003), Elementos de Diseño para Acueductos y Alcantarillados, Colombia. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería.

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