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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA CIENCIAS FISICAS Y MATEMÁTICA CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

ALCANTARILLADO

TEMA: ANÁLISIS ALCANTARILLADO DE BAJO COSTO EN EL SECTOR RURAL

Guanoluisa Tarco Katty Paulina [email protected] 0962929680

Profesor: Dr. José A. Rosero

Fecha: Quito, 30 de Junio del 2018

ÍNDICE

ÍNDICE ................................................................................................................................. 2 1. ANTECEDENTES .......................................................................................................... 3 1.1.

Información Técnica ................................................................................................ 3

ALCANTARILLADO RURAL ............................................................................................. 4 1.

Análisis institucional y marco legal .......................................................................... 5

2.

Análisis técnico del sector ....................................................................................... 5

Donde Construir Alcantarillado Rural ................................................................................ 6 a) Nuevas Tecnologías: Alcantarillados De Bajo Costo............................................... 6 Redes De Alcantarillado Sin Arrastre De Sólidos .......................................................... 6 Redes De Alcantarillado Simplificado: ........................................................................... 7 Sistemas De Alcantarillado En Régimen De Condominio: ............................................. 8 1.2.

Localización del Tema ............................................................................................. 8

2. DINÁMICA DE SISTEMAS ...........................................................................................10 3. ANÁLISIS ......................................................................................................................11 3.1.

Descriptores ...........................................................................................................11

3.1.1.

Estado del Problema ........................................................................................11

3.1.2.

Objetivos ..........................................................................................................12

3.1.3.

Discrepancias ..................................................................................................12

3.1.4.

Acciones ..........................................................................................................12

3.2.

Prefactibilidad .........................................................................................................13

3.2.1.

Alternativa 1: Redes De Alcantarillado Sin Arrastre De Sólidos.......................13

3.2.2.

Alternativa 2: Redes De Alcantarillado Simplificado ........................................17

3.2.3.

Alternativa 3: Sistemas De Alcantarillado En Régimen De Condominio ..........22

3.3.

Selección de la Alternativa .....................................................................................27

4. CONCLUSIONES .........................................................................................................28 5. RECOMENDACIONES .................................................................................................29 6. BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................30 1. ANEXOS .......................................................................................................................31

1. ANTECEDENTES 1.1.

Información Técnica

El presente trabajo hace referencia a la implementación de sistemas de alcantarillado de bajo costo en aquellos sectores alejados de la ciudad y que por varias causas tienen un nivel de economía más bajo, pero que de igual manera necesitan ser cubiertas sus necesidades y cumplir con el objetivo del buen vivir para todos y todas. (Carcamo, 2014) El problema se concentra en los estratos de población de menores recursos que es la que mayor crecimiento tiene, a pesar de los esfuerzos exitosos pero no suficientes de control demográfico, La bien intencionada pero equivocada política de los gobiernos de concentrar los esfuerzos para atender las necesidades básicas insatisfechas en las ciudades, mucho más que en los núcleos urbanos pequeños y en la zona rural, lo que ha incentivado esa migración en busca de oportunidades de trabajo, de vivienda, de educación, de salud, de esparcimiento, es decir de mejor calidad de vida. (Carcamo, 2014) La preferencia de aplicar los recursos disponibles a ampliar la cobertura de agua potable, que es una necesidad cuya solución es inaplazable, pero que muchos cuestionan porque el no atender simultáneamente el saneamiento básico incrementa la generación de enfermedades de origen hídrico, deteriora el entorno de las viviendas y el área urbana y obliga en muchos casos a contaminar los drenajes pluviales con las aguas residuales extendiendo así el contagio. Para áreas urbanas pequeñas o de ciudades grandes, las tecnologías más apropiadas son los alcantarillados no convencionales y, entre estos, los denominados de bajo costo, de pequeño diámetro o de flujo decantado. (Carcamo, 2014) La palabra alcantarillado designa la evacuación de las aguas servidas (residuales), o de los efluentes líquidos de las viviendas a través de un sistema de conductos. Se aplica a los sistemas de transporte de desechos por agua, es decir, la recolección de aguas residuales domésticas e industriales y su adecuado tratamiento. (Carcamo, 2014)

Figura 1. Esquema de un sistema de Alcantarillado Tomado de: https://es.slideshare.net/carlos1237/alcantarillado-pluvial

Las obras de alcantarillado son una consecuencia del abastecimiento de agua. Con agua corriente se producen grandes cantidades de efluentes que tienen que evacuarse y eliminarse de forma adecuada. (Carcamo, 2014) El déficit de cobertura de los servicios de infraestructura sanitaria y la calidad de los servicios existentes se evidencian en la existencia de una alta concentración de enfermedades de origen hídrico que afectan a la población. El país cuenta con abundantes recursos hídricos. La gran mayoría de los sistemas de abastecimiento de agua potable (65,2% en el área urbana) captan aguas superficiales para su tratamiento. La inexistencia de sistemas de tratamiento de las aguas residuales genera problemas de contaminación de los recursos hídricos, siendo indispensable tomar acciones directas y concretas para preservarlos. (Consejo Nacional de Desarrollo-CONADE, 2009) ALCANTARILLADO RURAL Un escaso porcentaje de la población rural cuenta con sistemas de alcantarillado, los cuales son resultado de iniciativas aisladas de municipalidades y otras instituciones. Los sectores rurales concentrados no tienen un sistema de saneamiento: solo un 5% cuenta con servicios de alcantarillado, un 16% posee fosas sépticas y el 79% utiliza pozo negro.

1. Análisis institucional y marco legal Existen numerosas instituciones y entidades públicas que participan en el sector de agua potable y saneamiento en los niveles de planificación, asistencia técnica, normalización, ejecución de proyectos, prestación y administración de los servicios. En los sectores rurales, la participación comunitaria en los sistemas de agua se limita, por lo general, al trabajo requerido para la construcción de obras. Existe una falta de esfuerzos coordinados para facilitar la participación comunitaria en los sistemas de abastecimiento de agua y saneamiento, lo cual determinaría su mayor sustentabilidad. 2. Análisis técnico del sector El rezago de los servicios en el área rural es alarmante. El déficit de cobertura de los servicios de infraestructura sanitaria es muy elevado: en agua potable, 21,7% en el área urbana y 60,7% en el área rural; en saneamiento, 30,2% en el área urbana y 68% en el área rural. (Consejo Nacional de Desarrollo-CONADE, 2009) Existen muchas deficiencias en la planificación de los sistemas de agua potable y saneamiento, al no considerarse proyectos integrales y con una proyección que sea apropiada para el mediano y largo plazo. Se dispone de normas de diseño, construcción y control de calidad del agua, pero es necesario su análisis y discusión para actualizarlas y mejorarlas. Los procedimientos de realización de estudios y ejecución de obras son complejos y lentos, lo que determina graves desfasajes entre los períodos de diseño y las fechas de ejecución de la obras. En cuanto a la calidad de los servicios suministrados se pueden señalar las siguientes características generales, que califican a los servicios disponibles como poco satisfactorios: - Saneamiento: existen deficiencias en la operación y mantenimiento de los sistemas; las aguas sanitarias en los sistemas de alcantarillado no son tratadas y son evacuadas directamente a los cuerpos receptores; no se controla la contaminación de los recursos hídricos.

Donde Construir Alcantarillado Rural Localidades rurales concentradas: Contaminación es sinónimo de concentración. Una vivienda aislada no producirá contaminación, o mas bien su impacto se diluirá en un área mayor. Estas viviendas aisladas deben tener sistemas de alcantarillado particular, los que no entran en el ámbito de este tema. En los sectores rurales concentrados existe mayor riesgo sanitario si no tienen saneamiento. Por otra parte las inversiones tendrán mejor rentabilidad social, es decir con la misma inversión se beneficia una población mayor. Localidades con suelos con poca capacidad de infiltración: En algunas localidades la calidad del suelo no permite la infiltración del agua al subsuelo por la calidad de este. En estos casos quedan 2 alternativas, evacuar las aguas servidas por los canales, o convivir con ella y esperar que se evapore. a) Nuevas Tecnologías: Alcantarillados De Bajo Costo En otros países se han estado aplicando nuevas tecnologías que se han llamado “Alcantarillados de Bajo Costo”, que cumpliendo igualmente los objetivos, permiten reducir significativamente las inversiones, a través de un sencillo cambio de filosofía de concepción de estos sistemas. En muchos países se han implementado exitosamente sistemas de alcantarillado de bajo costo. Las modalidades mas conocidas son: Redes De Alcantarillado Sin Arrastre De Sólidos: Son redes de alcantarillado de muy pequeño diámetro, que se basan en la retención de sólidos en un tanque ubicado en las viviendas. Las cañerías pueden instalarse con curvas e incluso trabajar totalmente llenas.

Figura 2: Esquema de una red de alcantarillado sin arrastre de Sólidos. Recuperado de bvsde.paho.org

Redes De Alcantarillado Simplificado: Considera cañerías de diámetro menores, y estructuras de inspección más livianas.

Figura 3: Esquema de una red de alcantarillado simplificado. Recuperado de bvsde.paho.org

Sistemas De Alcantarillado En Régimen De Condominio: Considera el ahorro que se produce al construir las tuberías por el fondo de los patios de las casas. Este sistema requiere mayor participación de la comunidad.

Figura 4. Esquema de una red de alcantarillado condominiales. Recuperado de bvsde.paho.org

1.2.

Localización del Tema

El alcantarillado de bajo costo es un sistema que se adapta mejor a pequeñas comunidades, zonas periféricas de baja densidad demográfica, nivel freático alto, poblados costeros, para grupos aislados de viviendas y asentamientos rurales. Características de los asentamientos rurales 1.- Poseen poca densidad de población. 2.-Se llevan a cabo actividades del sector primario. 3.-El equipamiento es básico (salud, educación, trámites legales, etc.) . 4.- Poseen pocas construcciones humanas y utilizan espacios físicos principalmente para labores productivas. 5.- El suelo es utilizado para múltiples funciones (faenas agrícolas, ganaderas, forestales y agroindustriales). (sites, 2010)

Figura 5. Zona de Monte Sinaí, en el noroeste de Guayaquil. Recuperado de https://www.eluniverso.com

En Ecuador para el año 2010 el porcentaje de viviendas conectadas a la red pública de alcantarillado en la zona rural es de apenas el 22,9% mientras que en la región Amazónica al año 2010 este valor se reduce a un 14%, este valor representa uno de los índices más bajos por regiones, junto con la región Costa la cual tiene un valor de 5% y en contraste con la región Sierra que tiene un valor de 37%. (Molina, 2015)

Figura 6. Cantones con mayor presencia de asentamientos precarios en zonas urbanas. Fuente: Censo de población y vivienda, INEC, 2010. Elaboración: MIDUVI (2015).

Tema

Información Técnica

Base Histórica

Población Rural

Características de los asentamientos rurales

Extracto Link “….política de los gobiernos de concentrar los esfuerzos para atender las https://www.academia.edu necesidades básicas insatisfechas” “El país cuenta con abundantes recursos http://www.bvsde.paho.org/ hídricos. La…..” “En Ecuador para el año 2010 el porcentaje de ile:///C:/Users/equipo/Download viviendas conectadas a la s/CD-6976.pdf red pública de alcantarillado en la zona rural….. “ “Poseen poca densidad de población…..”

https://sites.google.com/site

2. DINÁMICA DE SISTEMAS

ESTADO Existe un déficit en la implementacion de sistemas de alcantarillado en el sector rural por la falta de recursos .

ACCIONES Implementar sistemas de Alcantarillado de bajo costo. Socializar acerca de los sistemas de bajo costo y su implementación en el sector rural. Realizar un analisis costo beneficio para la eleccion del sistema mas adecuado dependiendo del sector. Analizar las ventajas y desventajas de la implementacion de los sistemas de alcantarillado de bajo costo.

DISCREPANCIAS Limitados recursos para la ejecución de sistemas de alcantarillado. en el sector rural Agrupacion total de las personas que habitan en lugares alejados. Predisposicon de las persoo nas para la realizacion de sistemas de alcantarillado.

OBJETIVO Dotar de servicio de alcantarillado en el sector rural a un bajo costo

3. ANÁLISIS Al momento de analizar el sistema de alcantarillado más aceptable y que beneficie a un determinado sector rural marginal es necesario conocer cada uno lo de los sistemas vigentes, utilidad, diseño, uso ventajas y desventajas de los mismos. Por ello para sistemas convencionales se emplea las recomendaciones propuestas por (López Cualla, 2000) en su libro Elementos para diseño de Acueductos y Alcantarillado y las normas de la EMAAP- Q, considerando que se puede cambiar varios parámetros en zonas rurales; con lo cual se han tomado los datos primordiales como son los diámetros de tuberías, pendientes mínimas y profundidad a la cual se ubicara el sistema en sus sistema

de

alcantarillado

combinado,

mientras

que

para

los

sistemas

no

convencionales se requirió de varios autores. En este análisis se tendrá dentro de los sistemas no convencionales al alcantarillado sin arrastre de sólidos, al alcantarillado simplificado y el alcantarillado en régimen de condominio.

3.1.

Descriptores

3.1.1. Estado del Problema Descriptor 1: Riesgo de inundaciones por la inexistencia de los sistemas de alcantarillado convencional que se derivan en riesgos al bienestar de las personas producto de grandes lluvias de los últimos tiempos. Descriptor 2: Afectación en la salud de las personas debido al nivel de virus y bacterias contaminantes que se transportan diariamente por las tuberías, unas más peligrosas que otras, según la procedencia de sus actividades y malos olores. Descriptor 3: El gran impacto ambiental que se genera en la naturaleza debido a la evacuación de las aguas residuales generadas por las actividades de las personas e influencia de aguas lluvias sobre la estabilidad de los suelos. Descriptor 4: Falta de inversión en el sector rural por parte de las autoridades debido a la inequitativa repartición de los recursos económicos, menor atención en las necesidades básicas de los pobladores.

3.1.2. Objetivos •

Analizar la mejor alternativa de alcantarillado de bajo costo para los poblaciones rurales.

•

Ofrecer un sistema de alcantarillado sencillo, seguro y de calidad.

•

Disminuir los efectos negativos provocados por la inexistencia de un sistema de alcantarillado.

•

Disminuir el impacto ambiental producto del agua residual generado por las personas. 3.1.3. Discrepancias 3.1.3.1.

Inexistencia de restricciones para el desfogue de agua residual sin importar

su procedencia por diversas actividades del sector rural. 3.1.3.2.

El municipio sea el ente a cargo del mantenimiento del sistema de

alcantarillado en todo momento. 3.1.3.3.

Los tiempos de intervención para la adecuación del sistema de alcantarillado

sean lo menos posible. 3.1.3.4.

Colaboración y aceptación de las poblaciones para la ejecución de un sistema

de alcantarillado. 3.1.4. Acciones 3.1.4.1.

Independientemente del tipo de agua residual que se emita de cada vivienda,

esta

se

ha

de

tratar

previamente,

cumpliendo

con

las

normativas

correspondientes y de acuerdo a las características propias de cada alternativa. 3.1.4.2.

Los trabajos a efectuarse por mantenimiento, intervención, etc. Es de

exclusiva competencia del municipio, esto queda claramente estipulado en el contrato que se dé al pueblo y que debe quedar claramente informado tanto al presidente como a la comunidad. 3.1.4.3.

Respecto de los tiempos de intervención para instalación de los sistemas de

bajo costo a instalarse, se procurará realizarlos en el menor tiempo posible evitando el corte de diferentes actividades del sector, en donde personal capacitado cubrirá con calidad cada instalación. 3.1.4.4.

Análisis costo/beneficio de las alternativas presentadas para la ejecución de

un sistema de alcantarillado de bajo costo.

3.2.

Prefactibilidad

3.2.1. Alternativa 1: Redes De Alcantarillado Sin Arrastre De Sólidos a) Idea del Proyecto Es alternativa que permite reducir los costos de adquisición de tuberías y materiales, de excavación de zanjas y pozos de visita, así como los requerimientos de bombeo en el desalojo de las aguas residuales domésticas de los centros urbanos, el sistema está formado por tuberías generalmente de plástico con diámetros pequeños mínimo de 5 cm, que reciben el agua decantada proveniente de los tanques sépticos o interceptores domiciliarios conectados a la red, las tuberías pueden trabajar llenas o parcialmente llenas y las aguas residuales sedimentadas las cuales fluyen impulsadas por la inclinación de la tubería o por el tirante de agua contenida en el tanque séptico, se propone instalar en cada una de las zonas de tamaño moderado, redes de alcantarillas por gravedad de pequeño diámetro que colecten y conduzcan las aguas residuales provenientes de los tanques sépticos existentes, o de los tanques interceptores nuevos, a la planta de tratamiento de grado secundario. b) Variantes 

Tuberías generalmente de plástico.



Diámetros pequeños (mínimo de 5 cm.), las cuales reciben el agua decantada proveniente de los



Construcción de tanques sépticos o interceptores domiciliarios



Tuberías pueden trabajar llenas o parcialmente llenas.



Sedimentos: inclinación de la tubería o por el tirante del tanque séptico.

c) Variables El período óptimo de diseño de una obra de ingeniería es una función del factor de economía de escala y de la tasa de actualización. Para ciudades que no disponen de alcantarillado o donde, por alguna circunstancia plenamente comprobada, no sea posible o no sean representativas las mediciones, se podrá utilizar coeficientes de mayoración de ciudades de características similares. d) Prediseño

Parámetros de Diseño 

Velocidad mínima permisible

En las redes de alcantarillado de pequeño diámetro, no es necesario mantener una velocidad mínima de autolimpieza, ya que estas se diseñan para recolectar solamente la fase liquida del agua residual. Sin embargo, las velocidades a lo largo de las tuberías deben ser mayores que la velocidad mínima requerida para transportar mezclas de aire o gases con líquidos en tuberías descendientes después de las curvas. V ≥ 1.36√9.8 ∗ D ∗ Sen∅ ≥ 0.20 m/s Donde: V = Velocidad en la red (m/s) D = Diámetro de la tubería. Ø = Angulo de Inflexión de la red. 

Velocidad máxima permisible: 5m/s



Profundidad hidráulica: 0.20 < h/D < 0.80D donde: h: nivel de agua de la tubería D: diámetro de la tubería



Fuerza tractiva mínima: 1 N/m2



Pendiente mínima: De acuerdo a la velocidad mínima



Pendiente máxima permisible: De acuerdo a la velocidad máxima



Diámetro mínimo permisible: En los sistemas de pequeño diámetro las tuberías pueden ser de 75 mm (3”) mayores, pero el tamaño mínimo recomendado de la tubería es de 100 mm (4”).

Figura 7. Componentes de redes de alcantarillado sin arrastre de sólidos. Recuperado de: http://www.redalyc.org

Las cajas de visita se recomiendan en los encuentros principales de los colectores, en cambios muy bruscos de dirección, o en sitios donde es difícil construir un registro, por tener muy profunda la tubería

Figura 8: Caja de visita. Recuperado de: http://www.bvsde.paho.org

Figura 9.: Caja de visita. Recuperado de: http://www.bvsde.paho.org

Figura 10.: Registro de inspección y limpieza. Recuperado de: http://www.bvsde.paho.org

e) Volúmenes de Obra y Costos El Banco Mundial y la Organización Panamericana de la Salud establece que este sistema que este sistema de alcantarillado, excluyendo el tratamiento de aguas residuales tiene un presupuesto per capital de: Alcantarillado de pequeño diámetro US$ 35-85 por persona f) Beneficios 

La construcción es más rápida que para un sistema convencional



No se requiere personal especializado para operar y mantener el sistema



La reducción de pozos de visita reduce las fuentes de afluencia pluvial, las estaciones de bombeo y el tratamiento final y por ende, un menor costo



Reducción de volúmenes de excavación



Reducción del costo de materiales: las tuberías del sistema RASAS son de menor diámetro que las de alcantarillados convencionales



Gracias al apoyo del tanque séptico en la disposición final de las aguas residuales se pueden considerar procesos de tratamientos simplificados y más económicos



El uso de cajas colectoras y tanques sépticos ayuda a regular los caudales y por ende se reducen los diámetros de diseño.

3.2.2. Alternativa 2: Redes De Alcantarillado Simplificado a) Idea del Proyecto En esta alternativa los pozos de registro son reemplazados por cámaras de inspección simples, cada punto de descarga es conectado con un tanque interceptor para prevenir que entren en la red sólidos y basura, cada vivienda debe tener una trampa de grasas antes de la conexión con la red, las alcantarillas están dispuestas dentro de los límites de la propiedad, no bajo la calle central. La comunidad se conecta por medio de una conexión legal al alcantarillado principal y el efluente combinado de la red comunal fluye a la línea principal, como está dispuesto en o alrededor de la propiedad de los usuarios, se pueden alcanzar tasas mayores de conexión, y se pueden usar menos tubos, más cortos, también menos excavación ya que los tubos no estarán sujetos al tráfico pesado. b) Variables 

Profundidad de excavación reducida.



Periodo de diseño más corto (construcción por etapas).



Menos pozos de registro y el costo de construcción reducido.



Tuberías con uniones elásticas.



El tirante relativo (h/d) menor o igual a 0.8



Acepta un diámetro mínimo de 100

c) Variantes En el dimensionamiento de las partes componentes del alcantarillado sanitario simplificado, así como ocurre en el de las redes convencionales se considera que el flujo se los desagües, se efectúan en el régimen permanente y uniforme; es decir, un

movimiento de flujo donde el caudal es constante, a lo largo de la corriente, o sea que se satisface las ecuaciones de Bernoulli y la continuidad.

d) Prediseño Pendiente mínima: La pendiente mínima de las redes simplificadas y condominiales, deberá calcularse para una tensión tractiva mínima de 1N/m2 y para un coeficiente de Manning de 0,013, la relación aproximada que satisface esta condición es: 𝑆 𝑚𝑖𝑛 = 0.0055 𝑄𝑖 − 0.47 Donde: Smin = m/m pendiente minima Qi = flujo máximo de diseño

Pendiente máxima permisible: La pendiente máxima admisible será calculada para la velocidad máxima permisible.

Tensión de arrastre Es el esfuerzo tangencial unitario ejercido por el líquido sobre el colector y sobre el material en el depositado.

Figura 11. Formula para determinar la tensión de arrastre. Recuperado de: http://www.bvsde.paho.org

Cálculos Hidráulicos a tubo lleno 𝐐=𝐕∗𝐀

Donde, Q caudal a tubo lleno m3/s V velocidad a tubo lleno m/s A área tributaria m2 La velocidad a tubo lleno puede calcularse utilizando cualqueria de lñas siguientes ecuaciones: Ecuación de Manning V=

2 1 1 ∗ (Rh)3 ∗ (I)2 N

Ecuación de Ganguillet y Kutter 1 1 0.00155 (Rh ∗ I)2 (23 + N + ) ∗ I

V=

(1 + (23 +

0.00155 N ) ∗ ( 1 )) I Rh2

Donde, V velocidad a tubo lleno m/s Rh radio hidráulico I Pendiente N coeficiente de rugosidad de Manning de la tubería f factor de friccion de Colebrook g aceleración de la gravedad e rugosidad absoluta

Figura 12. Coeficientes de rugosidad y rugosidad absoluta Cálculos hidráulicos a tubo parcialmente lleno Para calcular los parámetros hidráulicos (velocidad, radio hidráulico área transversal y el caudal) para una tubería o alcantarilla de sección circular que está parcialmente

llena, se debe utilizar gráficos, monogramas o tablas, para esto se requiere conocer las siguientes relaciones v/V, q/Q, con lo cual se puede extrapolar las otras relaciones.

Figura 13. Parámetros hidráulicos de las alcantarillas de sección circular. Tomado de: https://es.scribd.com/doc/23864025/Redes-de-Alcantarillado-Simplificado Sin embargo, estas curvas pueden ajustarse y obtenerse de las siguientes ecuaciones, las cuales arrojan correlaciones superiores al 99.9%. para poder utilizarlas requiere conocer la realcion q/Q. v/V q

Para 0.00 < Q ≤ 0.06 0.06 < 0.26