Determinación del caudal de diseño

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE

BASES DEL DISEÑO

I) INTRODUCCIÓN

En la primera parte de este trabajo escalonado trata acerca de los estudios preliminares de carácter necesario, aplicando los métodos para determinar la población de proyecto, caudal medio ,caudal máximo diario, caudal máximo horario así como aplicar las especificaciones que nos indica las normas de diseño (R.N.E), Como es el caso de la determinación del caudal en otros usos que se determina usando el R.N.E, en donde se encuentra las respectivas dotaciones diarias mínimas de agua para uso domestico, comercial, industrial, parques, cines, oficinas, garajes, u otros fines.En la actualidad, ante el aumento dramático de la población en nuestro departamento y país y en general en el mundo entero, los diferentes servicios y recursos de que se dispone tienen que ser mejor administrados. La optimización de los recursos ha alcanzado todos los niveles de la vida humana.En el caso del agua, dicha optimización adquiere gran importancia, ya que la disponibilidad del vital líquido disminuye cada vez más y por lo tanto su obtención se dificulta y encarece de manera importante.Un uso eficiente del agua implica la utilización de mejores sistemas de extracción, conducción y almacenamiento de agua; además del campo de la forma de pensar de los usuarios del recurso.El problema del agua potable no tiene solución permanente, por lo que en este aspecto siempre se debe estar buscando nuevas fuentes de Abastecimientos, realizando estudios hidrológicos o geohidrológicos para tener a la mano forma de ampliar los sistemas.Para desempeñar un papel activo en la solución a tales problemas, el Ingeniero hidráulico debe comprender claramente los fundamentos en que se basan. Por tanto, la finalidad de este trabajo es delinear los principios fundamentales de ingeniería implicados en las obras que constituyen el sistema de abastecimiento de agua potable e ilustrar su aplicación al proyecto.

I.1) OBJETIVOS

I.1.1) GENERALES

Determinar la cantidad de agua para el consumo domestico en la ciudad ficticia

I.1.2) ESPECÍFICOS

Determinar el periodo de diseño. Determinar la población futura de utilizando los diferentes métodos analíticos. Determinar el Consumo Per-cápita de la población. Determinar el Caudal Medio de la población. Determinar el Caudal Máximo Diario y Horario. Determinar el área de expansión futura de la ciudad. Determinar el Caudal en otros usos de la población.

INGENIERÍA HIDRÁULICA Página 1


I.1.2) JUSTIFICACION

El presente trabajo se realiza con la finalidad de aprender a diseñar en nuestro campo laboral cualquier tipo de perfil de abastecimiento y alcantarillado de agua potable ya que tendremos la capacidad de realizarlo.

I) REVISIÓN DE LITERATURA

CONCEPTOS RELACIONADOS DIRECTAMENTE CON EL TRABAJO:

ACCESO AL AGUA POTABLE.El acceso al agua potable se mide por el número de personas que pueden obtener agua potable con razonable facilidad, expresado como porcentaje de la población total. Es un indicador de la salud de la población del país y de la capacidad del país de conseguir agua, purificarla y distribuirla.

¿Qué es el agua potable y por qué es importante? El agua potable es el agua de superficie tratada y el agua no tratada pero sin contaminación que proviene de manantiales naturales, pozos y otras fuentes. Sin agua potable, la gente no puede llevar una vida sana y productiva. Abundar en el tema de la calidad del agua se torna todavía más complejo, si entendemos que diariamente alrededor de cinco mil personas mueren en el planeta a causa de una enfermedad de origen hídrico y que de éstas, el 90 por ciento son niños. Como la Tifoidea, Paratifoidea, disentería, gastroenteritis y el Cólera. El agua potable escasea porque generalmente se la valora muy poco y se utiliza en forma ineficiente.

1) DETERMINACIÓN DEL PERIODO DE DISEÑO

Se entiende por Periodo Diseño el tiempo en el cual se estima que las obras por construir serán eficientes. El período de diseño es menor que la Vida Útil o sea el tiempo que razonablemente se espera que la obra sirva a los propósitos sin tener gastos de operación y mantenimiento elevados que hagan antieconómico su uso o que se requieran ser eliminadas por insuficientes. Además de la vida útil y del Período de Diseño, en los aspectos de financiamiento de las obras se habla a menudo del Período Económico de Diseño el que se ha definido tradicionalmente como el tiempo durante el cual una obra de ingeniería funciona “Económicamente”. Sin embargo, el determinar este aspecto en un país como Perú resulta subjetivo puesto que no existen los recursos financieros para construir cada vez que concluyen los períodos económicos de las obras en cuestión que deberían ser sustituidas de acuerdo a este criterio. Por lo anterior se denominará “Período Económico de Diseño” al tiempo en el cual se amortiza, es decir, se paga el crédito con el cual se ejecute el proyecto. Considerando lo anterior, el dimensionamiento de las obras se realizará a períodos de corto plazo, definiendo siempre aquellas que, por sus condiciones especificas, pudieran requerir un período de diseño mayor por economía de escala. El periodo de diseño se tendrá presente los siguientes factores los que previamente serán analizados antes que puedan satisfacer las necesidades de la población.



FACTORES

durabilidad factibilidad en la construcción tendencia de crecimiento de la población posibilidades de financiamiento y tasa de interés

Para el diseño a realizarse se debe tener encuentra un caudal minino suficiente para abastecer eficientemente y con un costo razonable a la población.

Teniendo encuentra las especificaciones técnicas para la elaboración de estudios y proyectos de agua potable según el Reglamento Nacional de Edificaciones, en el acápite 3.II.II.1.nos da un alcance sobre periodos de diseños recomendable Periodo de diseño recomendable para poblaciones 2000y 20000 habitantes es de 15 y 10 años para poblaciones más de 20000 habitantes

a) Fuentes subterráneas

Sin regulación. Deben proveer un caudal minino para un periodo de 20 a 30 años Con regulación. Las capacidades de embalse deben basarse en registros de

escorrentía de 20 a 30 años

b) Fuentes subterráneas:

El acuífero debe ser capaz de satisfacer la demanda para una población futura de 20 a 30 años pero su aprovechamiento debe ser por etapas mediante la perforación de pozos para periodos hasta 10 años.

c) Obra de captación.Se puede utilizar periodos de diseño entre 20 y 40 años.

Diques tomas : 15 a 20 años Diques represas: 30 a 50 años

d) Estación de bombeo

Bombas y motores : 10 a 15 años Instalaciones y edificios 20 a 25 años

e) Líneas de conducción, aducción y distribución

Toman periodos de diseño aconsejable de 20 a 40 años.

f) Planta de tratamiento.

Por lo general se permite el desarrollo por etapas lo cual permite estimar periodos de diseño entre 10 a 15 años con posibilidades de ampliaciones fututas para periodos similares



g) Estanque de almacenamiento

De concreto: 30 a 40 años De metal. 20 a 30 años

2) DETERMINACIÓN DE LA POBLACIÓN FUTURA

Para efectuar la elaboración de un proyecto de abastecimiento de agua potable es necesario determinar la población futura de la localidad, así como de la clasificación de su nivel socioeconómico dividido en tres tipos: Popular, Media y Residencial. Igualmente se debe distinguir si son zonas comerciales o industriales, sobre todo, al final del periodo económico de la obra. La población actual se determina en base a los datos proporcionados por el Instituto Nacional de Estadísticas, Geografía e Informática (INEI), tomando en cuenta los últimos tres censos disponibles para el proyecto hasta el año de realización de los estudios y proyectos. En el cálculo de la población de proyecto o futura intervienen diversos factores como son:

crecimiento histórico variación de las tasas de crecimiento perspectivas de desarrollo económico

La forma más conveniente para determinar la población de proyecto o futura de una localidad se basa en su pasado desarrollo, tomado de los datos estadísticos. Los datos de los censos de población pueden adaptarse a un modelo matemático, como son:

1.1 Método Aritmético

Pf=P i+Ka∗(T f−T i )

Ecua………………….1

Kap=K a1∗Δt1+K a2∗Δt2+Ka 3∗Δt3+ .. .K an∗Δtn

Δt1+Δt2+Δt3+ .. .. . Δtn

Ecua………………….2

Ka=ΔpΔt Ecua…………………3

Donde: ka= Tasa de crecimiento aritmético.

Pf =población final

Pi=población inicial

Ka=tasa de crecimiento



T f =año final

T i=año inicial

Kap=coeficiente de crecimiento ponderado razón de cambio ponderado de las poblaciones respecto al tiempo

1.2 Método Geométrico

Pf = Pi *e k g(T f - T i)

Ecua………………….4

K g=Ln(P f )−Ln(Pi )

T f−T i Ecua………………….5

K gp=Kg 1∗Δt1+K g 2∗Δt2+K g3∗Δt3+. ..Kgn∗Δtn

Δt1+Δt2+Δt3+ .. .. . Δtn Ecua………………….6

Donde:Kg = Tasa de crecimiento geométrico.Pf =población final



T f =año final

T i=año inicial

K gp =coeficiente de crecimiento geométrico ponderado razón de cambio ponderado de las poblaciones respecto al tiempo

1.3 Método De Interés Simple

Pf = Pi[1+r∗(T f−T i ) ] Ecua………………….7

r=P f -Pi

Pi∗(T f−T i )



K sp=K s1∗Δt1+K s 2∗Δt2+K s3∗Δt3+.. .K sn∗Δtn

Δt1+Δt2+Δt3+.. .. . Δtn Ecua………………….8Donde:

r = tasa de crecimiento según el método de interés simple.




T f =año final

T i=año inicial

K sp=coeficiente de crecimiento ponderado razón de cambio ponderado de las poblaciones respecto al tiempo

1.4 Método de Interés Compuesto

Pf = Pi(1+r )(T f - T i)

Ecua………………….9

r =( Pf /Pi ) 1/ (T f - T i) -1 Ecua………………….10

K cp=Kc1∗Δt1+K c2∗Δt2+Kc3∗Δt3+.. .Kcn∗Δtn

Δt1+Δt2+Δt3+. .. .. Δtn Ecua………………….11Donde:

r: tasa de crecimiento por el Método de Interés Compuesto. Teniendo estos cuatro métodos, se aplica la información con la que se cuenta y si está conformada con mucha información, se aplica el principio del coeficiente de regresión para cada uno de ellos, determinando el que se ajusta mejor, para ello se seleccionará el que genere el mayor. En caso que no se tenga mucha información se estima la que más le convenga al proyectista. Ejercicio para determinar el valor de la población futura, teniendo como insumo la información de población en forma oficial (INEI). Previamente debe determinarse el valor del periodo de diseño para dicho proyecto de.






T f =año final

T i=año inicial

Kcp =coeficiente de crecimiento ponderado razón de cambio ponderado de las poblaciones respecto al tiempo

3) DOTACION

Se entiende por dotación la cantidad de agua que se asigna para cada habitante y que incluye el consumo de todos los servicios que realiza en un día medio anual, tomando en cuenta las pérdidas. Se expresa en litros. / habitante-día. Esta dotación es una consecuencia del estudio de las necesidades de agua de una población, quien la demanda por los usos siguientes: para saciar la sed, para el lavado de ropa, para el aseo personal, la cocina, para el aseo de la habitación, para el riego de calles, para los baños, para usos industriales y comerciales, así como para el uso público.La dotación no es una cantidad fija, sino que se ve afectada por un sin número de factores que la hacen casi característica de una sola comunidad; sin embargo, se necesita conocer de ante mano estos factores para calcular las diferentes partes de un proyecto.

La dotación está integrada por los siguientes consumos:

a) consumo domesticob) publicoc) industriald) comerciale) fugas y desperdicios etc.

a) CONSUMO DOMESTICO:

El consumo doméstico varía según los hábitos higiénicos de la población, nivel de vida, grado de desarrollo, abundancia y calidad de agua disponible, condiciones climáticas, usos y costumbres, etc. Es difícil establecer una cifra como puede apreciarse; la cantidad básica para el consumo domestico, que incluye necesidades fisiológicas, usos culinarios, lavado de ropa y utensilios, sistemas de calefacción y acondicionamiento de aire, riego de plantas y jardines privados, aseo de la vivienda, etc.

b) CONSUMO PÚBLICO:

Este consumo se refiere al de los edificios e instalaciones públicas tales como: escuelas, mercados, hospitales, rastros, cuarteles, riego de calles, prados, jardines, servicio contra



incendios, lavado de redes de alcantarillado. El consumo público normalmente es excesivo debido a descuidos, pues el desperdicio en tales usos públicos se debe a daños en tuberías, llaves o accesorios cuya reparación inconscientemente se retarda.

c) CONSUMO INDUSTRIAL:

Depende del grado de industrialización y del tipo de industrias, grandes o pequeñas. Las zonas industriales en muchos casos conducen a un desarrollo urbanístico que trae como consecuencia un aumento en el consumo del agua. En el consumo industrial del agua, influye la cantidad disponible, precio y calidad. En general las grandes industrias se abastecen en forma particular de sus propios sistemas sin gravitar sobre el sistema general de la población.

d). CONSUMO COMERCIAL:

Depende del tipo y cantidad de comercio tanto en la localidad como en la región.

e).FUGAS Y DESPERDICIOS:

Aunque las fugas y desperdicios no constituyen un consumo, es un factor que debe ser considerado. En la vivienda influye en el consumo doméstico, pues es corriente encontrar filtraciones o fugas permanentes debido a desperfectos en las instalaciones domiciliarias.

FACTORES QUE AFECTAN A LA DOTACIÓN

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

a) CANTIDAD DE AGUA DISPONIBLE

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

b) MAGNITUD DE LA POBLACIÓ:

Conforme crece la población, aumenta el consumo de agua, porque se incrementa principalmente las necesidades de agua en usos públicos e industriales.

c) CLIMA:

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



d) TIPO DE ACTIVIDAD PRINCIPAL

Se consideran tres tipos de actividades: agrícola, industrial y comercial, como actividadesSecundarias: la minería, turismo, pesca, y otras.

e) NIVEL ECONÓMICO:

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

f) CALIDAD DEL AGUA:

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

g) PRESIÓN DEL AGUA:

Una presión excesiva o por el contrario muy baja, hacen aumentar la cantidad de agua consumida, en el primer caso por fugas y en segundo por desperdicio.

h) MEDIDORES:

La instalación de medidores hace disminuir el consumo del agua por tenerse que pagar por ella, los desperdicios se reducen notablemente, sino se instalan medidores la dotación base puede incrementarse.

i) COSTO DEL AGUA:

El diseño de tarifas adecuadas al costo real del agua se vuelve primordial, si no se corre el peligro de fomentar el desperdicio del agua o bien la ineficiencia de la administración de los sistemas de agua potable

j) EXISTENCIA DE ALCANTARILLADO:

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

k) FUGAS Y DESPERDICIOS:

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

NOTA: la dotación domestica para nuestro caso lo determinamos por investigación tomando valores de los medidores de lunes a domingo que también se puede obtener del R.N.E, para la dotación de otros usos si nos basamos en el (RNE).



4) VARIACIONES DE CONSUMO.

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

VARIACIONES MENSUALES

Durante el año existen meses de mayor o menor consumo del agua dependiendo de los factores climatológicos, costumbres, actividades y otros muchos que lo afectan.

VARIACIÓN DIARIA.

Las estadísticas demuestran que hay días del año con consumos mayores y otros con consumos menores con relación al consumo promedio diario.

VARIACIÓN HORARIA.

También existen variaciones horarias con respecto al gasto máximo diario, el cual no es consumido por la población en forma constante durante las 24 horas del día, pero determinados lapsos será mayor ó menor que el gasto máximo diario.Para poder satisfacer las demandas máximas durante el día, se debe incrementar el valor del gasto máximo diario de un coeficiente que cubra esas demandas máximas horarias.

Los valores de los coeficientes de variación según el R.N.E son los siguiente.

K1 = 1.3K2 = 1.8 (Pob. > 10,000 hab.) 2.5 (Pob. < 10,000 hab.)K3 = K2 (Densidad poblacional multifamiliar)K1 x K2 (Densidad unifamiliar)

5) CAUDAL DE DISEÑO

Caudal medio (Qm) = Población total x Dotación per cápita Ecua……12 Caudal máximo diario (Qmd) = Qm x K1. Ecua……13 Caudal máximo horario (Qmh) = Qm x K2 ó Qm x K3. Ecua……14

6) EXPANSION FUTURA.

Densidad Actual:



Da = paAa

Ecua……15

Donde: Da: Densidad Actual Pa: Población actual A a= Área Actual.

Según el RNE, las viviendas pueden tener una categoría del tipo unifamiliar si es menor que 300 o multifamiliar si es mayor que 300 (Limbo 330 Per/ha) Cálculo del Área de expansión:

Df = Pf−PaA

Ecua……16

Donde: P f: Población Futura. Pa: Población Actual D f: Densidad (hab/Ha). A: Área de Expansión.

II) PROCESAMIENTO

DETERMINACIÓN DE LA POBLACIÓN FUTURA

Se determinan los modelos matemáticos más utilizados

1.1 Método Aritmético

La población del año actual, se hallara

Pobl.2012=pobl.2007+Kap*Δ t

La población del año futuro, se hallara

Pobl.2032=pobl.2012+Kap*Δ t

En ambos caso, K apes la tasa de crecimiento ponderado



Utilizando la ecua, 2,3 obtenemos el siguiente cuadro

COMO EXISTE VALORES KA NEGATIVOS SE PRESENTAN TRES CASOS:

1.2 Método Geométrico




Pobl.2012=pobl.2007+eKgp∗∆t


Pobl.2032= pobl.2012+eKgp∗∆t

En ambos caso, K gpes la tasa de crecimiento ponderado


COMO EXISTE VALORES Kgp NEGATIVOS SE PRESENTAN TRES CASOS:



1.3 Método De Interés Simple


Pobl.2012=pobl.2007 (1+Ksp*∆ t )


Pobl.2032= pobl.2012 (1+Ksp*∆ t)

En ambos caso, K spes la tasa de crecimiento ponderado




COMO EXISTE VALORES Ksp NEGATIVOS SE PRESENTAN TRES CASOS:



1.4 Método de Interés Compuesto


Pobl.2012=pobl.2007 (1+Ksp)¿¿


Pobl.2032= pobl.2012 (1+Ksp)∆t

En ambos caso, K spes la tasa de crecimiento ponderado


COMO EXISTE VALORES Ksp NEGATIVOS SE PRESENTAN TRES CASOS:



PERIODO DE DISEÑO

RESUMEN



Elegimos el valor mayor de cualquiera de los tres casos para tal escogimos MA caso III

EXPANSIÓN FUTURA



NOTA: la densidad poblacional futura no necesariamente debe ser igual a la actual para el presente informe suponemos el área futura con la condición que también sea >330.

AREA EXPANDIDA

DOTACION



Áreas en uso (a criterio del alumno)

NOTA: la dotación se calcula mediante investigación únicamente o bien usando valores dados por el reglamento para el presente trabajo pasamos por alto esta recomendación y hallamos el uso domestico por investigación y otros usos por R.N.E.



USO DOMESTICO

VARIACIONES DE CONSUMO



CAUDAL DE DISEÑOAplicando las ecuaciones 12.13.14 obtenemos el cuadro siguiente

III) CONCLUSIONES: En el presente trabajo los parámetros de diseño son:



IV) RECOMENDACIONES

El cálculo del caudal de diseño debe de ser lo más real posible ya que de él depende los diseños de reservorios, capitación y toda la línea de conducción.

Se recomienda para este tipo de diseño de abastecimiento de agua potable tener encuentra el reglamento nacional de edificaciones del país donde se este desarrollando este proyecto.

V) BIBLIOGRAFÍA

1) ENOHSA, Ente Nacional de Obras Hídricas y Saneamiento. Guía para la presentación de proyectos de Agua Potable. Criterios Básicos. Capitulo 2. Estudios preliminares para el diseño de obras y Capitulo 17. Impacto Ambiental. Se puede obtener información ingresando a http://www.enohsa.com.ar

2) Metcalf - Eddy. 1985. Ingeniería Sanitaria. Tratamiento, Evacuación y Reutilización de Aguas Residuales. Ed. Labor

3) De Ilzarbe, A. 2000. Apuntes de Ingeniería Sanitaria. Cátedra UNS.4) Conesa Fernández-Vitora. 1997. Guía metodologica para la evaluación de Impacto

Ambiental. ED. Mundi Prensa. Madrid. 3° Edición.5) Pedro rodríguez Ruíz abastecimiento de agua. instituto tecnológico de Oaxaca.


http://www.enohsa.com.ar/


LECTURAS DEL VOLUMEN DE AGUA DE USO DOMESTICO


Determinación del caudal de diseño

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