Sistemas de Agua Potable UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE SANTIAGO (UTESA) Sistemas de Agua Potable

Tendencias de crecimiento de la población 2

Tendencias de crecimiento de la población El crecimiento poblacional es función de factores económicos, sociales y de desarrollo industrial. UN SISTEMA DE ABASTECIMIENTO DE AGUA DEBE SER CAPAZ DE PROPICIAR Y ESTIMULAR ESE DESARROLLO, NO DE FRENARLO, PERO EL ACUEDUCTO ES UN SERVICIO CUYOS COSTOS DEBEN SER RETRIBUIDOS POL LOS BENEFICIARIOS, PUDIENDO RESULTAR EN COSTOS MUY ELEVADOS SI SE TOMAN PERÍODOS MUY LARGOS PARA CIUDADES CON DESARROLLOS MUY VIOLENTOS, CON LO CUAL PODRÍA PROPORCIONARSE UNA QUIEBRA ADMINISTRATIVA. 3

Tendencias de crecimiento de la población DE ACUERDO A LAS TENDENCIAS DE CRECIMIENTO DE LA POBLACIÓN ES CONVENIENTE ELEGIR PERÍODOS DE DISEÑO MÁS LARGOS PARA CRECIMIENTOS LENTOS Y VICEVERSA. LA DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DEL SISTEMA DE ABASTECIMIENTO DE AGUA DE UNA LOCALIDAD DEBE SER DEPENDIENTE DE SU COSTO TOTAL CAPITALIZADO. GENERALMENTE LOS SISTEMAS DE ABASTECIMIENTOS SE DISEÑAN Y CONSTRUYEN PARA SATISFACER UNA POBLACIÓN MAYOR QUE LA ACTUAL( POBLACIÓN FUTURA). 4

Estimación de la Población 5

Es la cantidad de personas que se espera tener en una localidad al final del Periodo de diseño del sistema de Agua Potable o Alcantarillado. El Crecimiento de las Ciudades está sujeto a planes de desarrollo. Para su crecimiento se consideran las Zonas de Reserva previstas para el desarrollo de la Ciudad a corto mediano y largo plazo. PLANIFICACION URBANA.

En el Caso de aprovisionamiento básico de Saneamiento, es necesario conocer la definición de los usos del Suelo, según los Programas al respecto, para poder predecir la Población a servir y Diseñar la infraestructura de estos servicios con Proyección futura. Debido a que la población es siempre un factor relevante en la estimación futura del Consumo de Agua, en la ocupación del suelo disponible, en la ampliación del fondo legal, en la generación de bienes y servicios, etc., es necesario predecir de alguna manera, cual será el incremento de la misma en tiempos determinados.

En el Diseño y Operación de sistemas relacionados con el Agua (suministro, tratamiento y desalojo), se requieren estimaciones de la Población a corto plazo (1 – 10 años) y a Largo Plazo (10 – 50 años). Las predicciones de la Población son complejas y ciertamente las estimaciones pueden ser erróneas en cierto grado, dependen de componentes o factores particulares que pueden alterar el desarrollo Demográfico de la Comunidad.

Los factores que influyen en la Población y la tasa de su Crecimiento, incluyen: Tasas de Nacimiento – Defunciones. Tasas de Emigración – Inmigración. Anexión. Urbanización. Políticas de descentralización de actividades Económicas. Descubrimiento de nuevos Recursos Naturales. Desarrollo de nuevas Industrias. Actividad Comercial. Uso del suelo. Incremento en la esperanza de Vida.

Una vez fijada la vida útil de la obra, realizadas las investigaciones preliminares y la combinación de otros factores, se determina el desarrollo futuro que probablemente tendrá la población en estudio, considerando el incremento de habitantes, así como el tipo, número y magnitud de actividades. Entonces es válido decir, en cierta medida, que la estimación del consumo o la aportación de agua potable está en función de la variación de la población basada en la proyección histórica de la misma; simultáneamente a una estimación a futuro del uso del agua para los diferentes propósitos.

La fuente de información más importante para obtener datos, son los censos levantados por el Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI), que los realiza cada diez años. Las Estimaciones de la población se obtienen aplicando los Métodos existentes para el cálculo de la población en un tiempo deseado (intercensal o postcensal), basándose en la interpolación y la extrapolación, según distintos Modelos Matemáticos.

Concluyendo que la cuantificación de la evolución Demográfica puede ser definida anticipadamente con cierta precisión; y en donde hay que proceder con cautela y aplicar la experiencia para decidir algún Método de predicción a usar.

Los Métodos más usuales para la estimación de la población a futuro o de Proyecto son: Método Aritmético. Método del Porcentaje Uniforme. Método Prolongación de la Curva a ojo. Método Logístico. Método de Crecimiento Declinante. Método de la Proporción.

Método Aritmético

Su Hipótesis se basa en el hecho de que la tasa de crecimiento es constante. La validez de este método se puede verificar examinando el crecimiento de la comunidad para determinar si se han producido incrementos aproximadamente iguales entre los Censos Recientes.

En términos Matemáticos, la Hipótesis puede ser expresada como: dp = K dt En donde dp/dt es la tasa de cambio de la población y K es una constante. K se puede determinar gráficamente, o a partir de las poblaciones en censos sucesivos, como: K=ΔP Δt La Población futura es luego estimada a partir de Pt = Po + Kt Pt = Población en algún tiempo futuro. Po= Población Actual. t = Periodo de la Proyección.

población actual y futura Ejem.: Una urbanización de 300 viviendas. 6habitantes por viviendas. Pac= 300x6=1800 personas Población futura Pf=Pac(1+R)^n R=tasa de crecimiento anual(2.5%). N=período de diseño( 20 @ 40 ). Pf=1800( 1+2.5/100)^20=2,950 personas 17

Método del Porcentaje Uniforme

De la integración de esta Ecuación resulta Ln P = Ln Po + K’Δt Se sustenta en la hipótesis de un porcentaje de crecimiento Geométrico o Uniforme donde se supone que la tasa de incremento es proporcional a la Población: dp = K’P dt De la integración de esta Ecuación resulta Ln P = Ln Po + K’Δt

Método Prolongación Curva de Ojo

Esta técnica consiste en la Proyección Grafica de las curvas de crecimiento de la Población en el pasado, manteniendo cualquier tendencia o inclinación que la información Histórica indique.

Método Logístico

La Curva Logística usada en el modelo de crecimiento de Población tiene forma de S; se combina una tasa geométrica de crecimiento para baja población con una tasa decreciente a medida que la ciudad se aproxima a algún limite de población. La Hipótesis de crecimiento Logístico puede ser verificada representando los datos del censo en Papel Logístico, en el cual aparecerá una línea recta si la Hipótesis es valida. P = Psat 1+ ea+b Δt Psat = 2P0P1P2 – P12 (P0 + P2) P0P2-P12

a = Ln Psat – P2 P2 b = 1 Ln P0(Psat - P1) n P1(Psat – P0)

PERÍODOS DE DISEÑOS 25

FUENTES SUPERFICIALES PERÍODOS SIN REGULACIÓN: DEBEN PROVEER UN CAUDAL MÍNIMO: 20 @ 30 AÑOS CON REGULACIÓN: LAS CAPACIDADES DE EMBALSE DEBEN BASARSE EN REGISTRO DE ESCORRENTÍA: 26

FUENTES SUBTERRÁNEAS PERÍODOS EL ACUÍFERO DEBE SER CAPAZ DE SATISFACER LA DEMANDA PARA UNA POBLACIÓN FUTURA: 20 @ 30 AÑOS 27

OBRAS DE CAPTACIÓN PERÍODOS DIQUES-TOMAS 15 @ 25 AÑOS DIQUES-REPRESAS 28

BOMBAS Y MOTORES, CON UNA DURABILIDAD RELATIVAMENTE CORTA: ESTACIONES DE BOMBEO PERÍODOS BOMBAS Y MOTORES, CON UNA DURABILIDAD RELATIVAMENTE CORTA: 10 @ 15 AÑOS LAS INSTALACIONES Y EDIFICIOS PUEDEN SER DISEÑADOS, TOMANDO EN CUENTA LAS POSIBILIDADES DE AMPLIACIONES FUTURAS Y CON PERÍODOS DE DISEÑO DE: 20 @ 25 AÑOS 29

PERÍODOS DE DISEÑOS LÍNEAS DE ADUCCIÓN 20 @ 40 AÑOS PLANTAS DE TRATAMIENTO 10 @ 15 AÑOS REDES DE DISTRIBUCIÓN GENERALMENTE: 20 AÑOS GENERALMENTE DE GRAN MAGNITUD: 30 @ 40 AÑOS 30

ESTANQUES DE ALMACENAMIENTO PERÍODOS DE CONCRETO 30 @ 40 AÑOS METÁLICOS 20 @ 30 AÑOS 31

Consumos y Variaciones Caudales de diseño Caudal promedio Qm = Dotación * Población 86,400

Consumos y Variaciones Caudales de diseño Caudal máximo diario Qmáx diario = Qm * Cvd Cvd = 1.25 (variación diaria) Conducción y Almacenamiento

Consumos y Variaciones Caudales de diseño Caudal máximo horario Qmáx horario = Qm * Cvh Cvh = 2.0 (variación horaria) Redes de distribución

Consumos y Variaciones Demanda de incendio En las localidades donde sea necesario atender la demanda contra incendio, deben ubicarse hidrantes en función de las necesidades, equipo disponible y experiencia del cuerpo de bomberos. En condiciones de emergencia se acepta que el suministro de la red de distribución se destine a la zona de conflicto, mediante el manejo de válvulas, disminuyendo el servicio a los usuarios.

DISEÑO DE REDES DE AGUA POTABLE

SE UTILIZA PRINCIPALMENTE LA FORMULA DE HAZEN – WILLIAMS V = 1.318 C R0.63 S0.54 QUE COMBINADA CON LA ECUACION DE CONTINUIDAD Q=VXA PUEDE ESCRIBIRSE EN LA FORMA: h = α L Q1.85 EN ESTA EXPRESION: L = LONGITUD DE LA TUBERIA , METROS h = PERDIDA DE CARGA, METROS α = COEFICIENTE QUE DEPENDE DE C Y DEL DIAMETRO Q = CAUDAL, LPS VALORES DEL COEFICIENTE C MAS UTILIZADOS HIERRO FUNDIDO 100 HIERRO FUNDIDO DUCTIL 100 HIERRO GALVANIZADO 100 – 110 ASBESTO CEMENTO 120 POLICLORURO DE VINILO (PVC) 140

VELOCIDADES PERMISIBLES

VELOCIDADES PERMISIBLES EXISTE UN CUADRO QUE MUESTRA LA RELACION DIAMETRO-VELOCIDAD ECONOMICA, QUE PUEDE UTILIZARSE PARA SELECCIONAR EL DIAMETRO DE TUBERIA QUE PERMITE MANEJAR LOS CAUDALES Y VELOCIDADES DE MANERA QUE LAS PERDIDAS SEAN ACEPTABLES. EL CUADRO SE PRESENTA A CONTINUACION.

VELOCIDADES PERMISIBLES

Fuentes de Abastecimiento Los ingenieros nos interesamos por la hidrología, ya que los abastecimientos de agua son tomados de corrientes, embalses y pozos que son alimentados directa o indirectamente por la precipitación. También nos interesamos por los caudales máximos y mínimos de escorrentía; volumen total de flujo, sequías y condiciones promedio, datos que son necesarios para el diseño de Embalses, vertederos, alcantarillas para aguas de lluvia y otras estructuras hidráulicas

Características de las Aguas Superficiales y Subterráneas Aspectos cuantitavos y de explotación Aguas superficiales Aguas subterráneas Generalmente aportan mayores caudales Generalmente aportan caudales bajos Caudales variables Poca variabilidad de caudal No siempre precisan bombeo Generalmente requieren bombeo Costo bombeo bajos Costo bombeo altos Generalmente la captación debe hacerse distante del sitio de consumo Permite más cercanía al sitio de utilización

Características de las Aguas Superficiales y Subterráneas Aspectos cualitativos Turbiedad Variable Prácticamente ninguna Color Bajo o ninguno Temperatura Variable, gral. muy alta Constante, depende del subsuelo Mineralización Depende del subsuelo Dureza GENERALMENTE baja Alta, depende del suelo Estabilización Variable, gral. corrosivas Constante (incrustaciones) Contaminación bacteriológica Variable, gral. contaminadas Constante, gral. poca o ninguna Contaminación radiológica Expuestas a cont. directa Protegida contra contaminación directa

Medición de la precipitación La precipitación, incluyendo lluvia, nieve, granizo y agua nieve es la principal fuente de agua en ríos, quebradas, lagos, manantiales y pozos. En ausencia de registros de flujo en corriente, los datos de precipitación son la base para estimar la magnitud de las crecientes, los caudales de estiaje y el rendimiento de la cuenca. La precipitación media anual es quizá la forma más común de dichos datos

Fuentes Superficiales PUEDEN SER corrientes de flujo pequeños pero con avenidas adecuadas, que se almacenan en sitios adyacentes a la corriente, para su uso en las estaciones donde no es POSIBLE SUPLIR LA DEMANDA. SON Corrientes de caudal insuficiente en tiempo de estiaje, pero volumen total anual adecuado

Fuentes Superficiales Las aguas superficiales, constituidas por ríos, quebradas y lagos, requieren para su utilización de información detallada y completa que permita visualizar su estado sanitario, caudales disponibles y calidad del agua

Fuentes Superficiales Estado sanitario de la fuente Naturaleza de la geología superficial (rocosa, arcillosa, arenosa, etc.) Características de la vegetación (bosques, terrenos cultivados e irrigados) Presencia o ausencia de moradores en los márgenes , principalmente aguas arriba de los sitios de captación Distancias o focos de contaminación (descargas de aguas negras, cochineras, balnearios, lavaderos, etc.)

Fuentes Superficiales Caudales disponibles La utilización de una fuente de abastecimiento supone suficiente capacidad para suplir el gasto requerido durante el período de diseño prefijado para el sistema de abastecimiento Debemos verificar la posibilidad de suministro constante, YA sea porque los aforos mínimos representan valores superiores a la demanda o porque sea factible establecer una regulación de sus gastos de forma que el período de crecidas permite almacenar volúmenes compensatorios de la demanda en la época de sequía. Para esto debemos disponer de los registros de escorrentía durante períodos lo suficientemente largos que permitan predecir la situación en lapsos similares a los del período de diseño

Factores que afectan la escorrentía La precipitación es el principal factor individual que afecta el caudal de una cuenca. Es evidente que la cantidad de lluvia es importante, pero la distribución tanto temporal como espacial puede ser igualmente significativa. La topografía y la geología local influyen en la regulación y la cantidad de escorrentía. La evaporación es una función de la temperatura, de la velocidad del viento y de la humedad relativa.

Factores que afectan la escorrentía La intercepción comprende aquella precipitación que es retenida sobre las hojas y otras superficies y nunca alcanza el suelo. El almacenamiento en depresiones es aquella PRECIPITACION que es retenida en áreas de bajo nivel durante eventos de escorrentía. La infiltración es afectada por el tipo de suelo, la intensidad de lluvia, la condición de la superficie y la vegetación (la cual puede alterar la porosidad del suelo).

Fuentes superficiales que requieren regulación Cuando los aforos mínimos del río INDICAN QUE en determinadas épocas no son suficientes para cubrir la demanda, es posible lograr, mediante el represamiento de aguas en época de crecidas, compensar el déficit y aportarlo para satisfacer la demanda. Existen varios métodos para determinar los volúmenes de almacenamiento requeridos para satisfacer las demandas de agua

Fuentes superficiales que requieren regulación Método de diagrama de masas (RIPPL) Debe disponerse de una serie de registros hidrológicos de la fuente durante un período igual o mayor al período de diseño. En cualquier caso, debe disponerse de los registros de escorrentía de un período no menor de 20 años

CARACTERISTICAS DE LA CURVA MASA LA DIFERENCIA DE ORDENADAS PARA DOS TIEMPOS CUALESQUIERA REPRESENTA EL VOLÚMEN CONSUMIDO. LA PENDIENTE DE LA TANGENTE EN UN PUNTO, REPRESENTA EL CAUDAL EN ESE INSTANTE. LA PENDIENTE DE LA RECTA ENTRE DOS PUNTOS CUALESQUIERA ES EL CAUDAL MEDIO EN ESE INTERVALO.

Fuentes superficiales que requieren regulación Método de diagrama de masas Un método de diseño ordenado seria: Seleccionar, en forma gráfica o analítica, el período MAS seco (entre todos los años de registro) Construir el gráfico o diagrama de masa para el período seleccionado Trazar tangentes paralelas a la línea de demanda Determinar la DIFERENCIA MAXIMA de la DEMANDA RESPECTO A LA DISPONIBILIDAD, lo cual define la capacidad de embalse requerida

Fuentes superficiales que requieren regulación Método de meses más secos Se define mes seco a aquel cuyo gasto de aforo es menor que el gasto de demanda en el mismo lapso. Se selecciona de una serie de registros mensuales de aforos el mes más seco y se determina el déficit para ese período; se procede luego a seleccionar los dos meses más secos consecutivos y así sucesivamente se van determinando los déficit de cada periodo considerado respecto a la demanda. Ello va provocando incrementos del déficit, hasta un momento en que este déficit se hace menor La capacidad del embalse está determinada por el mayor déficit

Fuentes superficiales que requieren regulación Método estadístico Un método de diseño ordenado seria: Obtener el gasto medio de escorrentía, para los años de registros disponibles: Qm= Qa/N Determinar la desviación Standard: = ( D2/N-1)1/2 Determinar el coeficiente de variación: CV = /Qm å s å s

Fuentes superficiales que requieren regulación Método estadístico Determinar la relación entre demanda y el gasto medio disponible Con el valor del CV y el porcentaje del gasto medio disponible, obtener en las tablas correspondientes el coeficiente de embalse Determinar la capacidad del embalse mediante la aplicación del coeficiente anterior

Fuentes superficiales sin regulación Conocidos los datos de escorrentía, se debe analizar la fuente superficial sin necesidad de regularla, en cuyo caso el gasto mínimo para el período de registros debe ser superior al gasto del día de máximo consumo para el período de diseño fijado La utilización de una fuente superficial sin regulación supone el diseño de obras de captación específicas, de acuerdo a las características particulares del río o quebrada utilizada

Fuentes superficiales sin regulación (Captación) Directamente de Ríos Localización en tramos rectos y sólo en casos especiales en tramos curvos. En el caso de tomas por conductos, la carga sobre este debe ser 3 veces su diámetro o mayor. Conservar la altura sobre el fondo para evitar entrada de arena.

Fuentes superficiales sin regulación (Captación) Otras En manantiales son Tanquillas de recolección, con un vertedor de demasías con registro y válvula y protección de zanja alrededor Galería de infiltración consiste en una canalización, túnel o tubería ranurados, construidos por debajo del nivel freático de estratos acuíferos cercano a ríos, PARA interceptar la corriente, provocando su captación.

FUENTES SUBTERRANEAS

Introducción     Estimaciones hechas a nivel mundial indican que es mayor el recurso hidráulico subterráneo que el superficial. Según una de dichas estimaciones, más del 90% del agua dulce existente en la tierra está en el subsuelo, otra de ellas dice que el volumen de agua almacenado en el subsuelo es 20 veces mayor que el del agua dulce superficial.   independientemente de la dudosa precisión de los estimados anteriores, es evidente que las fuentes de agua superficial ya se están aprovechando cada vez a mayor ritmo debido a la creciente demanda provocada por la explosión demográfica. Esto implica que la explotación de los recursos hidráulicos subterráneos tenderá a ser cada vez más importante.

Para explotar racionalmente este recurso importante será necesario hacer lo que se conoce como un estudio geohidrológico, que consta de tres partes principales: Exploración, Cuantificación y Predicción. La etapa de EXPLORACION O PROSPECCION tiene por objeto la localización de los acuíferos y la definición de la forma y dimensiones del mismo, así como el estudio de todos aquellos aspectos hidrológicos y geológicos que puedan proporcionar una idea cualitativa de la posible disponibilidad de aguas subterráneas.

La etapa de CUANTIFICACION tiene por objeto estudiar el comportamiento del acuífero frente a la acción combinada de su recarga y descarga para determinar el volumen que se infiltra en el área estudiada.   La etapa de PREDICCION es la más importante del estudio y tiene por objeto predecir mediante modelos matemáticos o analógicos, previamente calibrados, la evolución de los niveles de agua subterránea para las alternativas de explotación futura que se desean estudiar, principalmente el comportamiento futuro de los acuíferos frente a cualquier alternativa de bombeo, que en última instancia es lo que verdaderamente importa, ya que es la única forma de poder manejar adecuadamente las aguas subterráneas