Diseño de Redes Sanitarias y Agua Potable

Definición

El gran desafío hídrico a nivel global es dotar de todos los servicios de agua potable, alcantarillado y saneamiento a la población, debido principalmente al crecimiento demográfico acelerado y a las dificultades técnicas presentadas en el desarrollo de las grandes urbes.

Un sistema de abastecimiento de agua se compone de instalaciones para la captación, almacenamiento, conducción, bombeo, tratamiento y distribución. Las obras de captación y almacenamiento permiten reunir las aguas aprovechables de ríos, manantiales y depósitos subterráneos; incluyen la construcción de presas y de galerías filtrantes. La conducción incluye canales y acueductos, así como instalaciones complementarias de bombeo para transportar el agua desde la fuente hasta el centro de distribución. El tratamiento es la serie de procesos que le dan al agua la calidad requerida. Finalmente, la distribución es dotar de agua al usuario, para su consumo.

Para el diseño de la red de conducción y distribución, a flujo lleno o presión manométrica; existen tres formas de diseño bajo los tipos de flujo o régimen de movimiento, como el movimiento permanente:

el movimiento uniforme

y el movimiento variado

Para encontrar las cargas y los gastos en una red se emplean los principios de conservación de la energía y de masa (continuidad). Así, las tuberías funcionando a presión, se dimensionan aplicando la ecuación de la conservación de la energía entre dos secciones, teniéndose:

Las pérdidas de carga continuas (de energía) debidas a la fricción entre los puntos 1 y 2, se calculan por medio de la fórmula de Darcy:

El factor de función de Darcy está en función de la rugosidad de las paredes de la tubería, sin embargo, está no es homogénea a lo largo de la conducción, por lo que para fines del diseño se establece un valor medio equivalente.

Moody (1944), presentó el diagrama universal para determinar el factor f, en tuberías de rugosidad comercial que transporta cualquier líquido

A través de estudios experimentales se determinó el factor f, el cual se asoció al diámetro y la rugosidad del material de la tubería y Número de Reynolds el cual se define como:

Estudio técnico para el diseño de acueductos (ASADAS – AyA)

1.1 Memoria Descriptiva.

Información básica del lugar
Descripción y antecedentes del proyecto.
Abastecimiento de agua existente.

Se describirá todos los elementos del sistema existente (instalado si hay) y de su funcionamiento: fuentes, caudal disponible (aforos de verano o prueba de Bombeo), caudal extraído, periodos de bombeo, demanda de agua, población abastecida, cobertura de conexiones domiciliares, calidad del agua y tratamiento, deficiencias y problemas operacionales, volumen de almacenamiento, estado físico y antigüedad de las unidades, etc.

Ubicación de fuentes.
Descripción del proyecto a realizar.
Costos del proyecto

1.2 Memoria de Cálculos Hidráulicos.

Se considerará realizar una simulación hidráulica del sistema propuesto. Así mismo se evaluará la afectación del golpe de ariete, el cálculo de volúmenes de almacenamiento, la definición de las válvulas requeridas por el sistema, el dimensionamiento de los bloques de anclaje y la definición de los sitios y sistemas de tratamiento (filtración rápida, lenta, cloración etc).

Los resultados de la simulación hidráulica del sistema incluirán como mínimo la siguiente información:

Identificación del sector simulado.
Dotación utilizada.
Periodo de diseño.
Definición de tanques, estaciones de bombeo, válvulas reductoras, etc.
Definición de: nodos del sistema; longitud, diámetro, tipo de material del tubo, caudal, velocidad del flujo y pérdida de carga por cada tramo definido entre nodos.
Definición del flujo, elevación, cota piezométrica y presión por nodo.
Mientras que para la evaluación del golpe de ariete se debe indicar la metodología empleada y los resultados de esta.

En el resto de parámetros se debe anexar los cálculos y criterios para la definición de los mismos.

1.3 Memoria de Cálculos Estructurales.

Se presentará la memoria de cálculo estructural para todas aquellas estructuras tales como captaciones, desarenadores, presas, tanques de almacenamiento, casetas, plantas de tratamiento, pasos elevados, etc, que se deban construir como parte del acueducto propuesto. Todo el diseño se hallará avalado por un Ing. Civil Estructural debidamente colegiado.

En el caso de que se proponga utilizar diseños típicos empleados por el AyA no se requerirá la presentación de cálculos estructurales o planos.

1.4 Levantamiento Topográfico.

Se adjuntara copia del levantamiento topográfico y un listado con las coordenadas (latitud, longitud y elevación) de cada uno de los puntos pertenecientes al proyecto.

1.5 Planos Constructivos finales.

Los planos constructivos contendrán como mínimo:

Un juego de copias de los planos constructivos del proyecto planteado.
Planos estructurales de todas las unidades de los sistemas: Obras de capacitación, estaciones de bombeo, planta potabilizadora, tanques de almacenamiento, pozos de visita, obras de arte (estructuras de paso), bloques de anclaje, etc; a escalas adecuadas.

Los planos hidráulicos del sistema indicarán:

Norte magnético.
Escala del plano.
Profesional responsable del diseño.
Ubicación de ríos, quebradas, calles, alcantarillas, infraestructura existente (viviendas, negocios, hoteles, puestos de salud, urbanizaciones, lotes, escuelas, plazas, etc).
Referencias de la infraestructura existente mediante la ubicación de puntos en las calles con numeración continua y ascendente.
Alineamiento de tuberías con indicación de los diámetros, material y clase de tuberías, ubicación de válvulas, hidrantes y accesorios especiales, etc.
Esquemas básicos (detalles) de instalación de elementos tales como válvulas de purga, aire, combinación, entronques, etc, referenciados a los puntos señalados como referencias.
Ubicación de las fuentes, tanques de almacenamiento, tanques quiebragradientes, casetas de bombeo, plantas de tratamiento, casetas de cloración, etc, en el proyecto.
Notas técnicas y aclaraciones requeridas para la construcción del acueducto.
Tablas con distancias y elevaciones del proyecto (punto de referencia, elevación del punto, tramo entre puntos consecutivos, distancia).
Notación y simbología.
Perfiles de las principales líneas de distribución y conducción de las redes del sistema donde se indique: tramo, longitud del tramo, diámetro, material del tubo, caudal, pendiente de la línea piezométrica, pérdida del tramo y velocidad del flujo.
Los perfiles podrán venir en láminas independientes a de las plantas del proyecto, por lo que no se requiere que la lámina sea planta-perfil.

1.6 Presupuesto final detallado.

1.7 Información sobre el proyecto de desarrollo urbanístico que motivó la realización de los estudios: plano catastrado de la finca madre, plano de diseño de sitio, tabla de áreas, memoria descriptiva.

Investigación

Diseño de la red de agua potable del Club de Playa Jacó, para un caudal total de 25.1 l/s y variaciones de elevación entre 100 y 151 msnm.

Ubicación: Jacó (Puntarenas – Costa Rica)

Responsable: Ing. Edwin Rafael Espinoza

Duración: 2 meses

El proyecto cuenta con 16 villas, 7 apartamentos tipo loft en la cuarta terraza, 2 villas de spa, masajes y sauna en la quinta terraza; así como una casa club, restaurante y piscina en la sexta y más alta de las terrazas.

Recomendación

Para el diseño de la red de agua potable o abastecimiento se empleó el software especializado WaterGEMS v.8. Este programa permite modelar el sistema en régimen permanente y no uniforme, haciendo uso de un reservorio (R-1) para almacenamiento del agua potable y cloración.

Puesta en serie, se colocó una bomba estática para impulsar el agua en las tuberías de distribución. Para ello se diseñó el sistema de bombeo, siguiendo las recomendaciones del catálogo del fabricante y la opción proporcionada por el WaterGEMS.

Posteriormente se colocaron las tuberías (pipes) y las uniones (Junction) en cada una de las previstas y cambios de dirección de la tubería, a fin de dotar de agua a cada uno de los lotes. Así mismo, se colocaron algunas válvulas reductoras de presión (PRV) a fin de obtener las presiones admisibles según el Manual del AyA, las cuales deben alcanzar un rango de 10 a 15 mca.

Se realizaron dos tipos de diseño, uno en estado dinámico y otro en estado estático, a fin de visualizar la variación de presión de acuerdo al uso realizado por la población beneficiada.

Los cálculos determinaron que la carga de la bomba se halla en 51.60 m, con lo cual, se determinó una potencia de 30 Hp para alcanzar las presiones adecuadas de trabajo en cada uno de los nudos definidos, especialmente en los más alejados.

Levantamiento Topográfico

Neoingenieria DHCA cuenta con equipos topográficos de última generación para el desarrollo de todo tipo de proyectos, alcanzando precisión y calidad, reduciendo los tiempos de ejecución.

Contamos con:

Figura 1. Estación total Serie GTS-252

Figura 2. GPS de Doble Frecuencia para posicionamiento de hitos y puntos de control

Figura 3. Dron Phantom 4 Pro 2.0

Una vez realizado el levantamiento topográfico se elaboran los modelos de elevación digital en 3D

Diagnóstico de la Situación Actual

Figura 4. Presiones y velocidades en la red de conducción (actual – condición dinámica)

Figura 5. Perfil hidráulico de la energía total en condición dinámica y estática de la red de distribución (escenario actual)

Figura 6. Perfil hidráulico de la energía total y presión manométrica en condición dinámica de la red de distribución (escenario actual)

Figura 7. Perfil hidráulico de la energía total y presión manométrica en condición estática de la red de distribución (escenario actual)

Situación Futura del Acueducto

Demanda Futura

De acuerdo con la proyección de la sección anterior, al año 2043 se espera que la ASADA preste el servicio a 443 habitantes, que equivale a 130 conexiones. Para el caso de la demanda futura, solamente se consideró la dotación de servicios medidos. Los parámetros más relevantes se muestran en el siguiente cuadro.

Cuadro 1. Caudales para demanda futura

Demanda Futura

De acuerdo con lo presentado en el apartado Tanques de Almacenamiento, el volumen requerido a futuro es el siguiente:

Almacenamiento por regulación de consumo:

De acuerdo a las normas de AyA en los criterios de diseño para acueductos rurales, en su última actualización en junio del 2011, se tiene que para acueductos con bombeo.

Donde F. A= Es el factor de almacenamiento, que para sistemas por bombeo se determinará de acuerdo a los siguientes porcentajes del volumen máximo diario y de acuerdo con el período de bombeo:

Cuadro 2. F.A para sistemas de bombeo

Para el sistema evaluado será necesario el equivalente continuo en horas requeridos por la relación entre el caudal máximo diario y la capacidad de bombeo en 24 horas.