Agua Potable: Almacenamiento INDICE Pág. 1. 2. INTRODUCCION 03 1.1 Objetivos 03 1.1 Objetivo general 03 1.2 Ob
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Agua Potable: Almacenamiento
INDICE Pág. 1.
2.
INTRODUCCION
03
1.1
Objetivos
03
1.1 Objetivo general
03
1.2 Objetivos específicos
03
CONCEPTOS PREVIOS
04
2.1
Información básica
04
2.1.1 Aspecto sociales
04
2.1.2 Aspectos logísticos y legales
04
2.1.3 Topografía
04
2.1.4 Hidrología
04
2.1.5 Geología
05
Planteamiento
05
2.2.1 Demanda de agua
05
2.2.2 Oferta de agua
05
2.2.3 Calidad del agua
05
2.2.4 Componentes del sistema
05
2.2
3.
4.
ALMACENAMIENTO (Reservorio)
06
3.1
Funciones
06
3.2
Clasificación
07
3.3
Capacidad
07
3.3.1 Volumen de equilibrio
07
3.3.2 Volumen contra incendios
08
3.3.3 Volumen de reserva
08
3.3.4 Volumen total
09
APLICACIÓN DE DISEÑO DE VOLUMEN DE EQUILIBRIO
09
4.1
Cálculo analítico
09
4.2
Cálculo gráfico
09
5.
DIMENSIONAMIENTO DEL TANQUE
12
6.
CASETA DE CONTROL Y VALVULAS
12
7.
EJEMPLO DE CÁLCULO DE VOLUMEN DE EQUILIBRIO
12
8.
ACCESORIOS
15
9.
CONCLUSION
16
10.
BIBLIOGRAFIA
16
Ing. Gaspar V. Méndez Cruz
Página 1
Agua Potable: Almacenamiento
1. INTRODUCCIÓN La importancia
de un suministro adecuado de Agua, radica en que la
población de una ciudad no podría subsistir convenientemente y la vida en ella sería desagradable y peligrosa. Esto nos lleva a la búsqueda de soluciones técnicas económicas, llegando a la mejor comprensión de los problemas que acarrea la explotación de los recursos naturales, por medio de los cuales se hace posible dotar del líquido elemento en forma racional, planificada y óptima a las diferentes poblaciones. Las partes de un sistema de agua potable consta de: la fuente de agua y obras de captación, conducción, tratamiento, almacenamiento, aducción y distribución. En la presente exposición se abordará el Almacenamiento de agua potable, conocido también como reservorio, componente del sistema que sirve para equilibrar, el aporte constante de agua con las variaciones de demanda durante cada día, que como su nombre indica, regule los excesos de consumo con el almacenamiento de las aguas sobrantes durante el período de bajo consumo. 1.1 Objetivos 1.1.1 Objetivo general Conocer el proceso de diseño hidráulico del almacenamiento de agua, como un componente del sistema de agua potable para una localidad. 1.1.2 Objetivos específicos •
Determinar el volumen de compensación de las variaciones de consumo en un día.
•
Plantear la ubicación adecuada del almacenamiento para tener una buena distribución del agua potable.
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•
Determinar el volumen de emergencia en el almacenamiento de agua potable.
•
Proponer
una
forma
de
dimensionamiento
del
almacenamiento de agua potable. •
Desarrollar un ejemplo.
2. Conceptos Previos Un sistema de agua potable requiere tener alcances previos para lograr una buena concepción, así tenemos: 2.1 Información Básica 2.1.1 Aspectos Sociales a) Población actual b) Población a 20 años c) Consideraciones socio económicas d) Aspectos organizativos 2.1.2 Aspectos Logísticos y Legales a) Facilidades para ingeniero residente b) Condiciones para la construcción c) Condiciones climáticas d) Condiciones gerenciales, sociales y políticas e) Condiciones legales. 2.1.3 Topografía a) Plano general b) Plano topográfico en la zona de obra específica. 2.1.4 Hidrología a) Tipo y ubicación de la fuente b) Determinación de caudales
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2.1.5 Geología a) Clasificación de suelos / Nivel freático b) Materiales para el relleno de zanjas c) Agregados para el concreto d) Estudios geológicos específicos 2.2 Planeamiento 2.2.1 Demanda de agua. a) Periodo de diseño b) Población futura c) Dotación d) Variaciones en el consumo e) Caudales de diseño 2.2.2 Oferta de agua. a) Estudio hidrológico. b) Estudio hidrogeológico. 2.2.3 Calidad de agua. a) Estudio físico b) Estudio químico c) Estudio bacteriológico 2.2.4 Componentes del sistema. A) Sistema por gravedad a) Captación. b) Línea de conducción. c) Planta de tratamiento. d) Reservorio de almacenamiento. e) Línea de aducción. f) Red de distribución. g) Conexión domiciliaria.
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B) Sistema de bombeo a) La captación se convierte en estación de bombeo. b) La línea de conducción se convierte en línea de impulsión. c) No se utiliza planta de tratamiento. d) El resto de los componentes se mantienen igual. 3. Almacenamiento (Reservorio) El sistema de almacenamiento está conformado por uno o varios depósitos, que sirven de regulación, capaz de equilibrar el suministro de agua para los diversos usos, que garantice un servicio continuo sin interrupciones. Los estanques de almacenamiento juegan un papel básico para el diseño del sistema de distribución de agua, tanto desde el punto de vista económico, así como por su importancia en el funcionamiento hidráulico del sistema y en el mantenimiento de un servicio eficiente. 3.1 Funciones Un
estanque
de
almacenamiento
cumple
tres
propósitos
fundamentales: a) Compensar las variaciones de los consumos que se producen durante el día. b) Mantener las presiones adecuadas en la red de distribución. c) Mantener almacenada cierta cantidad de agua para atender situaciones de emergencia tales como incendios e interrupciones por daños de tuberías de aducción o de estaciones de bombeo. Dependiendo de la topografía se hace indispensable separar la zona (alta, media, baja) para mantener las presiones en cada red, dentro de límites admisibles. Esta separación de redes puede hacerse mediante estanques o mediante válvulas reguladoras de presión.
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3.2 Clasificación a) Por su Función:
Cabecera. Flotante.
b) Por su Posición:
Apoyados. Elevados.
c) Por el Material:
Concreto. Mampostería. Fierro. Madera Tratada.
d) Por su Forma:
Cilíndricos. Cónicos. Esféricos. Mixtos (INTZE).
3.3 Capacidad La capacidad del estanque, o del conjunto de tanques para el caso de grandes sistemas, será igual al volumen que resulte de las siguientes consideraciones: - Volumen de Equilibrio o de regulación
(VE)
- Volumen de Agua contra incendios
(VCI)
- Volumen de reserva
(VR)
3.3.1 Volumen de Equilibrio o Regulación (VE). El sistema de almacenamiento previsto como regulación está destinado a proveer: - Suministro de agua en las horas de demanda máxima. - Presiones adecuadas en la red de distribución El volumen de regulación se debe considerar entre el 15% y el 30% del consumo medio diario si el sistema es por gravedad; si el sistema es por bombeo se considerarán los límites del 15 al
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25% de acuerdo al número y duración de los periodos de bombeo así como los horarios en los que se hallan previstos dichos bombeos. La determinación de dicho volumen se lo realiza teniendo la variación de la demanda y la oferta, en un día. Su cálculo se lo puede hacer en forma analítica y gráfica (Diagrama masa). 3.3.2 Volumen de Agua Contra Incendios (VCI) Para poblaciones menores a 10,000 habitantes, no es recomendable y resulta antieconómico el proyectar sistema contra incendio. Se deberá justificar en los casos en que dicha protección sea necesaria. Para poblaciones mayores a 10,000 habitantes se asume un tiempo de duración del incendio entre 2 y 4 horas, para caudales de incendio que tienen función directa de la población de diseño. Q = 0.5 √P (Lts/seg);
donde P es la población en miles.
Al igual que el caudal, el tiempo esta en función de la población: POBLACION (en miles)
TIEMPO (Horas)
< 30
3
30 – 50
4
> 50
5
3.3.3 Volumen de reserva (VR) Ante la eventualidad de que en la línea de aducción puedan ocurrir daños que mantendrían una situación de déficit en el suministro de agua, ya sea mientras se hacen las reparaciones de los sistemas de toma, conducción, tratamiento y/o casos de falla de un sistema de bombeo, es aconsejable un volumen adicional que de oportunidad a restablecer la conducción de agua hasta el estanque. En tal caso se recomienda considerar
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un volumen equivalente a un rango de 5 a 10% del volumen total del reservorio. 3.3.4 Volumen total Resultará de adicionar cada uno de los valores obtenidos anteriormente: V T almacenamiento = VE + VCI + VR 4. Aplicación de diseño del volumen de equilibrio Generalmente el diseño -ya sea en forma analítica o en forma gráfica- se hace por periodos de 24 horas (1 día), el consumo de agua de las poblaciones se puede expresar como porcentajes horarios del caudal medio diario (Qm) a través de hidrogramas, que se determinan estadísticamente. Tomando en cuenta esta ley, el hidrograma de consumo de una población quedaría como se muestra en la figura 1.
FIG. 1 HIDROGRAMA DE CONSUMO DE UNA POBLACIÓN PEQUEÑA
4.1 Cálculo Analítico El cálculo se hace mediante una tabla como la que se presenta en la tabla 1, considerando la figura 1, la ley de demanda o salida (consumo) la conocemos en función de porcentajes horarios del caudal medio diario (Qm), en esta misma forma se expresa la ley de entrada (suministro).
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Tabla 1 VOLUMEN DE REGULACIÓN PARA EL CASO DE SUMINISTRO LAS 24 HORAS
(1): Tiempo en horas (2): Entrada o suministro al tanque al 100% del caudal de bombeo, durante las 24 horas (3): Partiendo de variaciones horarias de consumo conocidas (4): (2) – (3) (5): Diferencias acumuladas resultantes de la suma algebraica de las diferencias de (4) (6): (5) + 80
En dicha tabla se aprecia que, para calcular el volumen, se suman los valores absolutos del máximo excedente y máximo déficit; 325 y 80. Esto se explica debido a que de las 0 a las 7 horas entra al tanque más agua de la que sale, por lo que se obtiene un porcentaje de acumulación máximo (máximo excedente); después de las 7 horas comienza a demandarse más agua de la que entra al tanque, por lo que empieza a hacerse uso de la que se tenía acumulada, situación que prevalece hasta las 15 horas en donde el tanque se encuentra
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vacío. A partir de esta hora existe un déficit: sale más de lo que entra y no se cuenta con un volumen en el tanque para cubrir el faltante. A las 18 horas se llega al momento más critico (máximo faltante). De lo anterior, se ve la necesidad de contar con un volumen de agua en el tanque equivalente al máximo déficit. En la misma tabla se aprecia que adicionando el déficit (80) se pueden cubrir todas las demandas; entonces se suma este valor a la columna de diferencias de salidas o demandas. De igual manera se puede calcular el volumen de un tanque, teniendo el principio de la oferta o suministro el cual puede ser a través de un sistema de bombeo, el cual no puede operar más de 18 horas por día. 4.2 Cálculo gráfico: El cálculo del volumen de equilibrio, se determina mediante el diagrama de masas, así: 1°
Se traza la curva integral de consumo partiendo de las 00.00 horas (media noche); para esto se traza todas las coordenadas en cantidades acumuladas del consumo diario. El aporte total debe ser igual al 100%. El aporte de agua, durante el día es uniforme (Bomba trabaja hasta 18 h/día), la curva integral de aporte es una recta inclinada
cuya pendiente es el gasto suministrado en la unidad de tiempo. Si el aporte es de 24 horas, entonces el Ve, se toma con mucha aproximación el 25% del consumo medio diario. 2°.- Se determina las diferencias entre las ordenadas de las curvas integrales de aporte y consumo; estas diferencias representan el contenido de agua en el reservorio.
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5. Dimensionamiento del tanque Como guía de pre-dimensionamiento puede emplearse la siguiente relación empírica: h = (V/3) + k Donde:
h = altura (m). V = Capacidad (cientos de m 3) K = Constante en función de la capacidad.
V(Cientos de m3)
k
..17
0.7
6. Caseta de control y de válvulas La finalidad que cumple este elemento es la de albergar a los accesorios de control para la salida de agua del reservorio, en la cual puede entrar satisfactoriamente una persona con fines de mantenimiento, reparación u otro caso. 7. Ejemplo de Volumen de equilibrio Se tiene la información del sistema de abastecimiento de agua potable para una ciudad de la costa, que tiene los siguientes datos: Caudal medio
= 20.37 litros/seg.
Caudal máximo diario
= 26.481 litros/seg
Horas de bombeo diario = 16 horas. Determine el volumen de equilibrio mas favorable para dicho sistema.
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FUNCIONAMIENTO CONTINUO NUMERO DE HORAS DE FUNCIONAMIENTO = 16 CUDAL MEDIO Qm(l/s)= 20.37 Qm(m3/d)= 1759.968 HORAS
%
CONSUMO
APORTE
DIF
DE
A
CONSUMO
PARCIAL
ACUMULAD
PARCIAL
ACUMULAD
APO-CON
EXCESO
DEFECTO
0
1
0.610
10.735805
10.7358048
0
0
-10.736
FALSO
10.735805
1
2
0.250
4.39992
15.1357248
0
0
-15.136
FALSO
15.135725
2
3
0.390
6.8638752
21.9996
0
0
-22
FALSO
21.9996
3
4
0.470
8.2718496
30.2714496
0
0
-30.271
FALSO
30.27145
4
5
0.750
13.19976
43.4712096
109.998
109.998
66.527
66.527
FALSO
5
6
0.600
10.559808
54.0310176
109.998
219.996
165.965
165.965
FALSO
6
7
4.000
70.39872
124.4297376
109.998
329.994
205.564
205.564
FALSO
7
8
8.600
151.35725
275.7869856
109.998
439.992
164.205
164.205
FALSO
8
9
6.500
114.39792
390.1849056
109.998
549.99
159.805
159.805
FALSO
9
10
4.900
86.238432
476.4233376
109.998
659.988
183.565
183.565
FALSO
10
11
7.600
133.75757
610.1809056
109.998
769.986
159.805
159.805
FALSO
11
12
6.500
114.39792
724.5788256
109.998
879.984
155.405
155.405
FALSO
12
13
4.950
87.118416
811.6972416
109.998
989.982
178.285
178.285
FALSO
13
14
5.950
104.7181
916.4153376
109.998
1099.98
183.565
183.565
FALSO
14
15
6.450
113.51794
1029.933274
109.998
1209.978
180.045
180.045
FALSO
15
16
7.650
134.63755
1164.570826
109.998
1319.976
155.405
155.405
FALSO
16
17
6.500
114.39792
1278.968746
109.998
1429.974
151.005
151.005
FALSO
17
18
5.800
102.07814
1381.04689
109.998
1539.972
158.925
158.925
FALSO
18
19
6.500
114.39792
1495.44481
109.998
1649.97
154.525
154.525
FALSO
19
20
4.100
72.158688
1567.603498
109.998
1759.968
192.365
192.365
FALSO
20
21
3.400
59.838912
1627.44241
0
1759.968
132.526
132.526
FALSO
21
22
3.900
68.638752
1696.081162
0
1759.968
63.887
63.887
FALSO
22
23
2.500
43.9992
1740.080362
0
1759.968
19.888
19.888
FALSO
23
24
1.130
19.887638
1759.968
0
1759.968
0
FALSO
FALSO
100.000
1759.968
VALORES MAX=
205.564
30.27145
TOTAL
TOTAL (EX+DEF)=
235.836
CURVA CONSUMO CONTINUO DE 16 HORAS 2000 1800 1600
CONSUMO Y APORTE
1400
1200 CONSU MO
1000
800 600 400 200 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 HORAS
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FUNCIONAMIENTO
DISCONTINUO
NUMERO DE HORAS DE FUNCIONAMIENTO = 16 CUDAL MEDIO Qm(l/s)= 20.37 Qm(m3/s)= 1759.968 HORAS
%
CONSUMO
APORTE
DIF.
DE
A
CONSUMO
PARCIAL
ACUMULAD
PARCIAL
ACUMULAD
APO-CON
EXCESO
DEFECTO
0
1
0.610
10.735805
10.7358048
0
0
-10.736
FALSO
10.735805
1
2
0.250
4.39992
15.1357248
0
0
-15.136
FALSO
15.135725
2
3
0.390
6.8638752
21.9996
0
0
-22
FALSO
21.9996
3
4
0.470
8.2718496
30.2714496
109.998
109.998
79.727
79.727
FALSO
4
5
0.750
13.19976
43.4712096
109.998
219.996
176.525
176.525
FALSO
5
6
0.600
10.559808
54.0310176
109.998
329.994
275.963
275.963
FALSO
6
7
4.000
70.39872
124.4297376
109.998
439.992
315.562
315.562
FALSO
7
8
8.600
151.35725
275.7869856
109.998
549.99
274.203
274.203
FALSO
8
9
6.500
114.39792
390.1849056
109.998
659.988
269.803
269.803
FALSO
9
10
4.900
86.238432
476.4233376
109.998
769.986
293.563
293.563
FALSO
10
11
7.600
133.75757
610.1809056
109.998
879.984
269.803
269.803
FALSO
11
12
6.500
114.39792
724.5788256
0
879.984
155.405
155.405
FALSO
12
13
4.950
87.118416
811.6972416
109.998
989.982
178.285
178.285
FALSO
13
14
5.950
104.7181
916.4153376
109.998
1099.98
183.565
183.565
FALSO
14
15
6.450
113.51794
1029.933274
109.998
1209.978
180.045
180.045
FALSO
15
16
7.650
134.63755
1164.570826
109.998
1319.976
155.405
155.405
FALSO
16
17
6.500
114.39792
1278.968746
109.998
1429.974
151.005
151.005
FALSO
17
18
5.800
102.07814
1381.04689
109.998
1539.972
158.925
158.925
FALSO
18
19
6.500
114.39792
1495.44481
109.998
1649.97
154.525
154.525
FALSO
19
20
4.100
72.158688
1567.603498
109.998
1759.968
192.365
192.365
FALSO
20
21
3.400
59.838912
1627.44241
0
1759.968
132.526
132.526
FALSO
21
22
3.900
68.638752
1696.081162
0
1759.968
63.887
63.887
FALSO
22
23
2.500
43.9992
1740.080362
0
1759.968
19.888
19.888
FALSO
23
24
1.130
19.887638
1759.968
0
1759.968
0
FALSO
FALSO
100.000
1759.968
VALORES MAX=
315.562
21.9996
TOTAL
TOTAL (EX+DEF)=
337.562
CURVADE CONSUMO DISCONTINUO E 16 HORAS 2000 1800 CONSUMO Y APORTES
1600 1400 1200
CONSUM O
1000 800 600 400 200
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 HORAS
El sistema funciona mejor con un trabajo de 16 horas continuas de bombeo.
Ing. Gaspar V. Méndez Cruz
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Agua Potable: Almacenamiento
8. Accesorios
FIG. 2 TUBERÍA DE LLEGADA AL ESTANQUE DE ALMACENAMIENTO SECCIÓN Y PLANTA
FIG. 3 TUBERÍA DE SALIDA DEL ESTANQUE. MATRIZ DE DISTRIBUCIÓN SECCION Y PLANTA
FIG. 4TUBERÍA DE LIMPIEZA Y DE REBOSE DEL ESTANQUE DE ALMACENAMIENTO
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Agua Potable: Almacenamiento
FIG. 5 TUBERÍA DE VENTILACIÓN DEL ESTANQUE DE ALMACENAMIENTO
9. Conclusión Con la exposición de la presente clase, se concluye que los señores estudiantes han logrado tener una buena concepción del proceso de diseño hidráulico de un almacenamiento de agua como componente de un sistema de agua potable. 10. Bibliografía • Arocha, S. (1980) “Abastecimientos de Agua”. Ediciones Vega SRL. España. • CEPIS (1990). “Plantas Modulares para tratamiento de Agua”. Documento Técnico Nº 8. Lima. • López, R. (1999). “Diseño de Acueductos y Alcantarillados”. Ediciones Alfaomega. 2da. Edición. Colombia. • Regal, A. (1995). “Abastecimiento de Agua Y Alcantarillado” – Teoría y Problemas. UNI. Lima. • Saldarriaga, J (2007) “Optimización Operacional en Sistemas de Agua Potable” Seminario Auspiciado por Amanco del Perú. Universidad Nacional de Piura. Piura. • Solsona, F (2002). “Desinfección del Agua”. OPS/CEPIS/PUB/02.83. Auspicio de la EPA. Lima-Perú. • Steel, E. (1958). “Abastecimiento de Agua y Alcantarillado”. 2da. Edición. Editorial G. Gili. Venezuela.
Ing. Gaspar V. Méndez Cruz
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